四旋翼飞行器姿态角估计与控制

发布时间：2017-09-03 02:09

  本文关键词：四旋翼飞行器姿态角估计与控制

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【摘要】：四旋翼飞行器因机械设计简单、体积小、飞行速度快、机动性强、控制灵活等特点被广泛应用于军事、民用以及科学研究等众多领域。同时,它也是一个飞行状态复杂的非线性欠驱动系统,在高动态飞行状态下,难以建立准确的数学模型对其姿态进行准确描述。本文通过对四旋翼飞行器姿态传感器(加速度传感器、磁力计、陀螺仪)工作原理及特性分析,给出了基于多传感器数据组合测量飞行器姿态角的方法。重点研究了基于不同数据融合算法的姿态角数据融合问题,并利用融合后的角度实现对四旋翼飞行器小角度扰动的稳定控制。利用加速度传感器和磁力计建立组合测量飞行器姿态角的数学模型,利用坐标系变换建立陀螺仪测量姿态角数学模型。分析磁力计解算偏航角过程中产生较大影响的罗差,并通过最小二乘法进行罗差补偿,得到比较准确的偏航角估计值。对姿态角解算结果利用最小方差估计权值,建立了基于加权法解算飞行器姿态的数据融合模型;通过分析姿态角解算数学模型,分别建立标准卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波的状态方程和测量方程,利用加速度计和磁力计数据,实时反馈修正陀螺仪的积分误差。针对本文中提出的三种数据融合算法,分别利用MATLAB进行仿真。基于加权融合方法解算姿态角在一定程度上能够提高姿态角解算精度,且建模简单,计算量小;标准卡尔曼滤波对于姿态角解算精度优于加权融合,但航向角的计算依赖于俯仰角和横滚角,俯仰角和横滚角的估计要在偏航角之前,实时性较差;扩展卡尔曼滤波建模和计算比较繁琐,但滤波结果最优。最后将融合估算角度和目标角度差值作为输入量,利用增量式PID控制算法得到电机调节量,实现飞行器小角度方位内的平衡控制。基于Android平台设计四旋翼飞行器地面站软件,完成系统测试。通过实验证明,利用扩展卡尔曼滤波数据融合后姿态角和PID控制可以实现四旋翼飞行器小角度扰动的控制,为进一步研究提供了借鉴作用。
【关键词】：加权融合 卡尔曼滤波 扩展卡尔曼滤波 PID
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要2-3
• ABSTRACT3-7
• 1 绪论7-14
• 1.1 研究背景及研究意义7-8
• 1.2 捷联式惯性导航的研究现状和发展趋势8-9
• 1.3 多传感器信息融合研究现状和发展9-10
• 1.4 飞行器控制研究现状和发展10-12
• 1.5 论文主要研究内容及技术路线12-14
• 2 捷联式惯性导航技术与飞行器动力学建模14-28
• 2.1 导航系统坐标系简介14-16
• 2.2 姿态角定义16
• 2.3 姿态传感器工作原理及功能16-19
• 2.3.1 加速度计17
• 2.3.2 陀螺仪17-18
• 2.3.3 磁力计18-19
• 2.4 基于MEMS传感器的飞行器姿态解算19-24
• 2.4.1 基于加速度计的俯仰角和横滚角解算20-22
• 2.4.2 基于磁力计的偏航角解算22-23
• 2.4.3 基于陀螺仪的姿态角解算23-24
• 2.5 四旋翼飞行器动力学建模24-26
• 2.5.1 飞行器飞行原理24-25
• 2.5.2 基于牛顿-欧拉公式的飞行器动力学模型的建立25-26
• 2.6 软件仿真平台-MATLAB26-27
• 2.7 本章小结27-28
• 3 四旋翼飞行器姿态估计与控制系统总体设计28-32
• 3.1 飞行器姿态估计单元设计28-30
• 3.2 飞行器姿态控制单元设计30-31
• 3.3 本章小结31-32
• 4 基于数据融合的飞行器姿态估计系统设计与实现32-53
• 4.1 数据融合算法研究32-38
• 4.1.1 加权数据融合算法32-33
• 4.1.2 离散标准卡尔曼滤波数据融合算法33-36
• 4.1.3 离散扩展卡尔曼滤波数据融合算法36-38
• 4.1.4 三种数据融合方法的比较38
• 4.2 基于磁力计解算的偏航角误差补偿38-41
• 4.2.1 罗差分析39
• 4.2.2 基于最小二乘法的罗差补偿39-40
• 4.2.3 罗差补偿实验结果及分析40-41
• 4.3 加权融合算法在姿态估计中的应用41-43
• 4.3.1 加权融合算法实现41-42
• 4.3.2 加权数据融合仿真及分析42-43
• 4.4 离散标准卡尔曼滤波在姿态估计中的应用43-49
• 4.4.1 俯仰角与横滚角估计的卡尔曼滤波器设计44-46
• 4.4.2 偏航角估计的卡尔曼滤波器设计46-47
• 4.4.3 基于标准卡尔曼滤波的数据融合仿真及分析47-49
• 4.5 离散扩展卡尔曼滤波在姿态估计中的应用49-52
• 4.5.1 离散扩展卡尔曼滤波器设计49-50
• 4.5.2 基于扩展卡尔曼滤波的数据融合仿真及分析50-52
• 4.6 本章小结52-53
• 5 基于PID的飞行器姿态控制系统设计与实现53-63
• 5.1 PID控制算法53-54
• 5.2 基于PID的姿态角控制器设计54-56
• 5.3 基于PID的姿态角控制仿真及参数调节56-58
• 5.4 四旋翼飞行器地面站设计与系统测试58-62
• 5.4.1 地面站软件设计58-60
• 5.4.2 四旋翼飞行器姿态角估计与控制系统测试60-62
• 5.5 本章小结62-63
• 6 总结与展望63-65
• 6.1 论文工作总结63
• 6.2 课题研究的不足与展望63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-69
• 附录69

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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：782221