微型四旋翼飞行器控制方法研究及控制器设计

发布时间：2017-07-21 04:24

  本文关键词：微型四旋翼飞行器控制方法研究及控制器设计

  更多相关文章： 四旋翼飞行器 PID控制 自抗扰控制 模糊优化 抗干扰性

【摘要】：进入新世纪后,电子元器件和各种智能硬件蓬勃发展,控制理论的不断完善,四旋翼飞行器突破诸多技术瓶颈,重新开始受到人们的关注。四旋翼飞行器具有飞行灵活度高、成本低、机身小巧便于携带等优点。近些年来,四旋翼飞行器的负载续航能力逐渐提高,在搭载了高清摄像机以及其他传感器后广泛应用于电影航拍、野生动物保护等领域。但是,四旋翼飞行器的控制系统是一种不完整并且不稳定的的控制系统。因此,若要稳定的控制四旋翼飞行器,对其控制系统的设计十分必要。论文介绍了四旋翼飞行器的结构和飞行原理,在忽略机体形变和其他次要因素后,分析建立了四旋翼飞行器的动态数学模型。选择了一种硬件飞行平台以获取飞行参数,然后利用这些参数在软件仿真平台上对四旋翼飞行器控制系统进行仿真。将四旋翼飞行器的控制系统分解成飞行高度控制、飞行航向控制和机体平衡控制三个子系统,然后利用传统的PID控制算法对各个子系统进行控制,并在Simulink下对每个控制子系统进行仿真。根据四旋翼飞行器特殊的飞行控制系统,分析了PID控制的局限性,针对这些局限性采用了自抗扰控制。这种方法设计了跟踪微分器为控制器的输入安排了过渡过程;设计了扩张状态观测器,将被控对象数学模型的未知部分和外部噪声视为总扰动;设计了非线性状态误差反馈律以减少跟踪误差。利用模糊优化算法对自抗扰控制器的非线性状态误差反馈控制律的参数整定进行优化,确定模糊输入输出、论域以及隶属函数后,设计出了自抗扰模糊参数优化控制器。随后利用自抗扰模糊参数优化控制器对四旋翼飞行器进行控制,并对控制器进行抗干扰测试。仿真结果表明,在动态性能指标、跟踪能力和抗干性方面,自抗扰模糊参数优化控制器具有良好的控制性能。
【关键词】：四旋翼飞行器 PID控制 自抗扰控制 模糊优化 抗干扰性
【学位授予单位】：辽宁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 研究背景和意义9-10
• 1.2 四旋翼飞行器控制方法研究现状10-11
• 1.3 本文的主要工作11-13
• 2 四旋翼飞行器系统构型原理及动力学建模13-31
• 2.1 飞行系统构型与飞行原理13-16
• 2.1.1 飞行机体系统结构形式13-15
• 2.1.2 四旋翼飞行器飞行原理15-16
• 2.2 四旋翼飞行器动力学建模16-22
• 2.2.1 飞行条件合理化假设17
• 2.2.2 参考系的建立与转换关系17-19
• 2.2.3 机体受力分析19-20
• 2.2.4 机体力矩分析20-22
• 2.2.5 运动方程组模型22
• 2.3 飞行硬件平台和模型仿真22-28
• 2.3.1 无刷直流电动机的动态模型24
• 2.3.2 反解求各旋翼转速模块24-27
• 2.3.3 四旋翼飞行器的数学模型仿真27-28
• 2.4 模型的开环仿真分析28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 传统控制方案分析31-41
• 3.1 四旋翼飞行器控制系统设计31
• 3.2 PID控制方法在四旋翼飞行器控制中的应用31-40
• 3.2.1 飞行高度控制34-35
• 3.2.2 飞行航向和机体平衡的控制35-36
• 3.2.3 PID参数整定以及仿真结果分析36-40
• 3.3 本章小结40-41
• 4 自抗扰模糊参数优化控制方案分析41-60
• 4.1 PID控制方案的局限性41-43
• 4.2 自抗扰控制理论43-52
• 4.2.1 安排过渡过程的跟踪微分器44-47
• 4.2.2 实时补偿的扩张状态观测器47-49
• 4.2.3 非线性状态误差反馈控制律49-50
• 4.2.4 自抗扰控制器的Simulink仿真50-52
• 4.3 自抗扰控制器在参数整定中的局限性52-55
• 4.3.1 TD的速度因子和滤波因子52-54
• 4.3.2 ESO中的参数分析54
• 4.3.3 NSEFL中参数整定的局限性54-55
• 4.4 自抗扰控制器参数的模糊优化55-59
• 4.4.1 控制参数模糊优化的分析55
• 4.4.2 NSEFL参数模糊优化过程55-58
• 4.4.3 自抗扰模糊参数优化控制器模型58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 5 自抗扰模糊参数优化控制器仿真分析60-66
• 5.1 控制器的结构参数60-61
• 5.2 控制器的仿真分析61-62
• 5.3 两种控制器的仿真对比62-65
• 5.4 本章小结65-66
• 6 结论66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70

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本文编号：571456