四翼飞行器姿态控制算法研究

发布时间：2017-08-21 03:05

  本文关键词：四翼飞行器姿态控制算法研究

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【摘要】：四翼飞行器是一种机体具有对称结构的飞行器,在两个垂直方向上共有四个旋翼,飞行器拥有四个输入控制量,六个运动自由度,是一种典型的非线性系统。相比于传统飞行器,四翼飞行器具有良好的垂直起降、悬停、机动、姿态保持性能等优点,因此被广泛应用于军事和民用领域。加之近几年电子技术和控制技术等相关技术的飞速发展,使得国内外出现越来越多研究成果。四翼飞行器因其独特的构造,使其控制系统复杂,本文对四翼飞行器进行建模分析,构造飞行器的动力学方程,研究飞行器的姿态解算和控制系统算法。 为构建飞行器的状态模型,本文第二部分研究了飞行器的坐标系统,建立起飞行器在机体坐标系和导航坐标系下的姿态描述方法,以及姿态在两种坐标系下的转换,分别使用了欧拉角和四元数进行研究表述；进而分析飞行器六个自由度的飞行原理；接着研究了飞行器的运动学模型,主要是为了完成飞行器状态方程的构建。然后对飞行器的硬件模型进行分析,飞行器的硬件主要包括,飞行器主控模块,姿态检测模块,电机模块和通信接口模块。这一部分主要完成了对飞行器机体模型的研究,为下一部分的飞行器姿态解算和姿态控制打下基础。 第三部分研究了飞行器的滤波姿态计算算法,这些算法有卡尔曼滤波算法,互补滤波算法,并给出了三种算法在本飞行器模型下的控制器设计实现过程,同时研究了基于四元数的飞行器姿态解算算法,包括四元数互补滤波算法,和梯度下降算法,同样给出了本飞行器模型下的两种算法的实现过程,为下一步的飞行器姿态控制算法打下基础。 第四部分分析了飞行器的姿态控制算法,也是本文的重点。飞行器的姿态控制算法有很多种,这里研究了PID姿态控制算法,LQR控制算法、Backstepping控制算法。研究了算法的原理,并给出了三种算法在第二部分建立起的飞行器模型下的控制器设计过程,同时在研究分析这三种控制算法的基础上设计一种组合控制方法,这种控制方法能充分利用被组合的控制方法的各自优势实现控制系统各方面的最优化。 第五部分在第四部分的基础上在MATLAB里对三种控制算法进行飞行器姿态响应仿真实验,并比较了仿真结果,验证三种控制方法的性能,分析了三种算法的优劣。同时基于对这三种控制算法的研究设计了一种基于PID控制和滑模控制的组合控制算法,并给出这种算法在MATLAB里面的仿真结果,验证算法的性能。
【关键词】：四翼飞行器 姿态解算 PID Backstepping 滑模控制
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• Contents11-14
• 插图清单14-16
• 附表清单16-17
• 1 概述17-23
• 1.1 选题背景及研究意义17-18
• 1.1.1 选题背景17-18
• 1.1.2 研究意义18
• 1.2 发展历史及国内外研究现状18-21
• 1.2.1 发展历史18-21
• 1.2.2 国内外研究现状21
• 1.3 本文主要的工作21-22
• 1.4 章节安排22-23
• 2 四翼飞行器模型分析23-43
• 2.1 引言23
• 2.2 四翼飞行器姿态表示方法23-28
• 2.2.1 四翼飞行器坐标系的建立23-24
• 2.2.2 四翼飞行器位置姿态描述24-27
• 2.2.3 四翼飞行器姿态表示方法27-28
• 2.3 四翼飞行器飞行原理28-31
• 2.4 飞行器运动学模型31-36
• 2.5 四翼飞行器主要硬件及电路组成36-41
• 2.5.1 主控制器模块37-38
• 2.5.2 姿态传感器38-40
• 2.5.3 通信接口40-41
• 2.5.4 电机模块41
• 2.6 飞行器控制系统流程41-42
• 2.7 本章小结42-43
• 3 飞行器姿态解算43-55
• 3.1 引言43
• 3.2 数据滤波姿态解算方法43-47
• 3.2.1 卡尔曼滤波43-45
• 3.2.2 补滤波45-47
• 3.3 基于四元数的姿态解算47-53
• 3.3.1 四元数互补滤波姿态解算算法47-50
• 3.3.2 四元数梯度下降姿态解算算法50-53
• 3.4 本章小结53-55
• 4 飞行器姿态控制算法55-69
• 4.1 引言55-56
• 4.2 PID控制方法56-60
• 4.2.1 PID控制原理56-58
• 4.2.2 PID控制系统设计58-60
• 4.3 Backstepping控制算法60-66
• 4.3.1 Backstepping控制原理60-63
• 4.3.2 基于Backstepping的飞行器控制系统设计63-66
• 4.4 滑模控制方法66-68
• 4.4.1 滑模控制原理66-67
• 4.4.2 基于滑模控制方法的飞行器姿态控制系统设计67-68
• 4.5 组合控制方法68
• 4.6 本章小结68-69
• 5 系统仿真69-75
• 5.1 引言69
• 5.2 PID控制方法仿真69-70
• 5.3 Backstepping控制方法仿真70-71
• 5.4 滑模控制仿真71-72
• 5.5 组合控制仿真72-73
• 5.6 本章小结73-75
• 6 总结与展望75-77
• 6.1 总结75-76
• 6.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-83
• 作者简介及读研期间主要科研成果83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：710442