四旋翼飞行器控制算法的设计与研究

发布时间：2017-08-19 11:14

  本文关键词：四旋翼飞行器控制算法的设计与研究

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【摘要】：四旋翼飞行器的体积小、易隐蔽、重量轻,功耗低,机械构造简单,容错能力强等优点使得四旋翼飞行器具有较广泛的应用范围。但是,与此同时四旋翼飞行器系统也具有非线性、强耦合性和欠驱动的特性,这给系统的控制带来了一定的困难。介绍了四旋翼飞行器的研究意义和背景,给出了飞行器的飞行原理、四旋翼飞行器的发展经过,详细分析和介绍了近几年国内外四旋翼飞行器的研究现状,包括主要的研究领域和应用在四旋翼飞行器控制中的常见的控制方法。为了完成四旋翼飞行器的悬停和匀速飞行的任务,对比分析了几种姿态表示方法的优劣,基于文中飞行器的控制姿态角都在小角度范围内,选择了适合的欧拉角表示法,建立了相应坐标系,并以此为基础对四旋翼飞行器系统建模。因为非线性系统控制具有一定的困难,所以在实现四旋翼飞行器由初始状态运动到指定的位置并在该点悬停的任务时,选择了将飞行器系统近似线性化的方法。将四旋翼飞行器系统进行近似线性化,对线性化后的系统采用几种线性控制方法,包括PD方法,极点配置法和线性二次型调节器最优设计法(LQR:Linear Quadratic Regulator)。通过Simulink仿真对比了以上几种线性控制方法应用在飞行器系统中得到的效果,并验证了近似线性化方法的有效性,最后将PD控制方法应用到四旋翼飞行器的实验中。采用双闭环的结构对飞行器系统进行控制,实现飞行器的匀速飞行。两个控制环分别为内环角度环和外环速度环,对内环选用精确反馈线性化的方法,将内环得到的输出作为外环系统的控制输入,实现外环的控制。对内环姿态角系统、外环速度系统、四旋翼飞行器整体系统分别进行了仿真,验证了各自的稳定性和有效性。
【关键词】：四旋翼飞行器 线性化 PD控制 线性二次型调节器
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 选题背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究动态10-16
• 1.2.1 四旋翼飞行器的发展历程10
• 1.2.2 四旋翼飞行器的研究现状10-16
• 1.3 本文研究内容和方法16
• 1.4 本文结构16-18
• 第2章 四旋翼飞行器的建模18-22
• 2.1 四旋翼飞行器的基本工作原理18-19
• 2.2 四旋翼飞行器的建模19-21
• 2.2.1 四旋翼飞行器姿态表示方法20
• 2.2.2 定义坐标系20
• 2.2.3 四旋翼飞行器的力学模型20-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 基于近似线性化方法的四旋翼飞行器的悬停控制22-40
• 3.1 四旋翼飞行器模型的近似线性化22-26
• 3.2 四旋翼飞行器的PD控制26-30
• 3.2.1 高度的PD控制26-28
• 3.2.2 偏航角的PD控制28-30
• 3.3 四旋翼飞行器的极点配置方法30-33
• 3.4 四旋翼飞行器的线性二次型最优设计33-37
• 3.5 性能指标对比37-38
• 3.5.1 PD控制算法和LQR控制算法对比37
• 3.5.2 极点配置方法和LQR控制算法对比37-38
• 3.6 四旋翼飞行器实验38-39
• 3.7 本章小结39-40
• 第4章 四旋翼飞行器的反馈线性化控制40-66
• 4.1 四旋翼飞行器的仿射非线性模型40-41
• 4.2 四旋翼飞行器模型的相对阶41-48
• 4.2.1 四旋翼飞行器系统的相对阶41-44
• 4.2.2 用动态扩充算法求四旋翼飞行器系统的相对阶44-48
• 4.3 四旋翼飞行器基于内外双控制环的反馈线性化算法48-65
• 4.3.1 四旋翼飞行器外环系统的控制49-53
• 4.3.2 四旋翼飞行器内环系统的反馈线性化设计53-62
• 4.3.3 四旋翼飞行器系统反馈线性化控制仿真结果62-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章 总结与展望66-67
• 5.1 总结66
• 5.2 展望66-67
• 参考文献67-72
• 致谢72

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文编号：700391