四旋翼飞行器飞控板设计及鲁棒控制在姿态控制律中的应用

发布时间：2017-07-14 08:04

  本文关键词：四旋翼飞行器飞控板设计及鲁棒控制在姿态控制律中的应用

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种由对称分布式的四个旋翼组成的一种飞行器,由于其具有垂直起降、悬停、结构简单的特点,这使得四旋翼飞行器成为至2005年开始的近十年时间以来,发展最快速的一种飞行器。四旋翼有四个控制输入,六个控制输出(状态),因此四旋翼是欠驱动的系统,该系统还具有高度耦合、比较复杂的特点,因此系统的建模和对模型处理以及控制器设计上是难点。本文在研究了国内外研究现状之后,发现四旋翼的核心是控制器,一个没有控制器的四旋翼是无法操控的,因此设计四旋翼控制器是本文的重点。本文以一个小型四旋翼飞行为对象,对四旋翼的控制器设计做了研究,本文首先将飞控需要完成的任务进行划分,根据划分的任务选定了ARM内核的STM32F103的MCU(微型控制处理器)。选择MPU6050传感器采集XYZ三轴的加速度和角加速度,气压计5883L采集飞行器高度信息。根据各个IC器件的Datasheet,不难画出飞控的原理图,由于飞控实现的功能不是很复杂,PCB走线较简单,考虑成本原因,飞控PCB板采用两层板结构。对于控制器的设计,大部分都是基于精确数学模型设计的,本文首要的工作是建立四旋翼的数学模型,根据牛顿—欧拉定理在惯性坐标系(大地坐标系)下,建立了力的微分方程和力矩的微分方程,并将其转换到机体坐标系中,因为传感器测量的欧拉角是在机体坐标系下表述,至此得到了在机体坐标系下的微分方程。对于坐标系的转换采用的矩阵表示的方法,因为对于任何两个不同的坐标系,分别转动三个角度,便可以将一个坐标系转换到另一个坐标系上,将大地坐标系向机体坐标系转换的矩阵按照偏航、俯仰、滚转的变换顺序求出变换矩阵,这样可以避免在表示滚转角的时候出现奇异点。在该方程中含有三角函数和二次项等非线性表达式,采用小扰动理论近似的将微分方程展开,舍去高阶无穷下量,得到一阶线性微分方程。在平衡点处的运动又可分为横向和纵向运动,于是微分方程分为横向运动微分方程和纵向运动微分方程。因为在实际环境中存在不确定性因素,另外在建模的过程中也会产生误差,在这种情况下设计的控制器在对理想模型仿真时会表现出非常好的性能,但是在实际飞控调试时可能与仿真出现较大的偏差。对于控制器的设计本文采用鲁棒控制器设计方法,主要是未解决飞行器的抗干扰问题,鲁棒控制器设计思想是在最坏的情况下也要保证系统的稳定,因此这种控制器不是最优控制器,但它的工程实用性强。在线性化的状态空间中采用H?次优方法设计控制器,将设计的控制器带入非线性模型中进行验证,采用这种方法进行仿真可以很好的验证控制器的好坏。
【关键词】：飞控 飞行器建模 鲁棒控制 嵌入式设计
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 引言9-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.3 飞行控制系统17-18
• 1.4 研究内容18-20
• 第二章 硬件设计20-28
• 2.1 IC器件选型20-22
• 2.2 电路设计22-27
• 2.3 总结27-28
• 第三章 建立数学模型28-43
• 3.1 四旋翼飞行原理28-29
• 3.2 转动惯量的计算29-31
• 3.3 四旋翼的数学模型31-34
• 3.3.1 坐标系的定义31-32
• 3.3.2 坐标系间的转换32
• 3.3.3 地面坐标系与机体坐标系之间的转换32-34
• 3.4 四旋翼机体建模34-39
• 3.4.1 微分方程34-38
• 3.4.2 运动方程解耦38-39
• 3.5 线性化39-43
• 3.5.1 泰勒展开法39-40
• 3.5.2 工具箱提取法40-43
• 第四章 控制器设计43-48
• 4.1 鲁棒设计方法简介43-44
• 4.2 H_∞混合灵敏度控制方法44-48
• 第五章 仿真48-52
• 5.1 仿真平台简介48
• 5.2 综合仿真48-49
• 5.3 仿真结果分析49-51
• 5.4 总结51-52
• 第六章 结论52-54
• 6.1 结论52
• 6.2 展望52-54
• 参考文献54-59
• 硕士期间发表的论文及学术成果59-60
• 发表论文59-60
• 致谢60-61

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7 邓寅U，

本文编号：540248