四旋翼无人机的姿态估计与控制研究

发布时间：2017-09-05 13:32

  本文关键词：四旋翼无人机的姿态估计与控制研究

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【摘要】：在紧急救援中,利用四旋翼无人机的自主飞行功能,可高效低成本地向救援现场运送物资。受限于飞行器控制精度、能耗等因素,四旋翼无人机一直没能在救援任务中得到广泛的应用。近几年,随着科技的发展和进步,四旋翼无人机综合了控制、传感器、电子信息、定位技术,在整机结构及材料、重量及制造工艺等方面有了很大的提升,使四旋翼无人机在急救物资运输领域的应用成为可能。本文主要对小型四旋翼无人机进行一些研究,以期对其在未来实际应用提供一些帮助。所做的研究工作和完成结果总结如下:(1)本文分析了四旋翼无人机的研究成果及文献资料,介绍了四旋翼无人机的“进化史”以及国内外研究现状。阐述了小型无人机的核心技术以及现阶段的技术瓶颈。(2)根据四旋翼无人机六个自由度姿态的运行原理,分析了动力装置的受力情况,建立了飞行器的动力系统模型。结合飞行姿态解算理论,分别阐述了基于欧拉角算法和四元数算法的姿态解算模型。(3)本文根据四旋翼无人机应用需求和机械结构,并结合飞行器控制原理,设计了飞行器控制硬件系统,选择飞行器架构并完成了整个飞行器样机的搭建。(4)鉴于四旋翼无人机姿态采集模块的误差,提出基于非线性互补滤波器的姿态估计算法。对比EKF(扩展卡尔曼滤波器)滤波算法,该算法不仅在运行速度上有优势,而且更易于在飞控微处理器上实现。(5)根据飞行器动力学模型和姿态估计算法,分别提出了基于PID、PID-PI嵌套控制算法和反演的滑模控制算法,并对各算法的控制效果进行了对比分析。最后,本文进行了飞行器各个姿态的试飞以及定高悬停测试。
【关键词】：四旋翼无人机 姿态估计 互补滤波 PID控制
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题的研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 无人机控制器研究进展15-18
• 1.3.1 无人机的技术核心15-16
• 1.3.2 主要研究方法进展16-18
• 1.4 论文主要研究方向18
• 1.5 本章小结18-19
• 第2章 四旋翼无人机的姿态解算与动力学模型19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 四旋翼无人机的结构和原理19-22
• 2.3 四旋翼无人机的飞行姿态解算模型22-25
• 2.3.1 参考坐标系22-23
• 2.3.2 欧拉角姿态解算模型23-24
• 2.3.3 四元数姿态解算模型24-25
• 2.4 动力学方程25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 四旋翼无人机的结构和硬件设计28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 四旋翼无人机的设计需求和样机结构28-29
• 3.3 四旋翼无人机控制系统硬件结构设计29-39
• 3.3.1 主控模块30-31
• 3.3.2 姿态采集传感器模块31-35
• 3.3.3 无线通信以及遥控信号接收模块35-36
• 3.3.4 电源模块36-37
• 3.3.5 动力装置模块37-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 四旋翼无人机的姿态解算滤波算法研究40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 飞行姿态采集误差来源分析40-43
• 4.2.1 传感器自身误差40-42
• 4.2.2 系统误差42-43
• 4.3 姿态解算中的滤波算法43-49
• 4.3.1 互补滤波器原理43-44
• 4.3.2 非线性互补滤波器原理44-46
• 4.3.3 非线性互补滤波基于四元数解算模型的实现46-48
• 4.3.4 基于非线性互补滤波与扩展卡尔曼滤波的姿态估计比较48-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第5章 四旋翼无人机控制器的设计与飞行测试50-62
• 5.1 引言50
• 5.2 控制模型50-51
• 5.3 基于PID的控制器设计51-54
• 5.3.1 基于PID的姿态控制器设计52-53
• 5.3.2 基于PID控制的仿真53-54
• 5.4 基于PID-PI的控制器设计54-56
• 5.4.1 基于PID-PI姿态控制器设计54-55
• 5.4.2 基于PID-PI控制的仿真55-56
• 5.5 基于反演滑模控制56-58
• 5.5.1 基于反演滑模的姿态控制器设计56-57
• 5.5.2 基于反演滑模控制的仿真57-58
• 5.6 四旋翼无人机的飞行调试58-61
• 5.6.1 软件设计58-59
• 5.6.2 飞行测试59-61
• 5.7 小结61-62
• 第6章 总结与展望62-64
• 6.1 总结62
• 6.2 展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-70
• 附录70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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2 张建明;邱联奎;刘启亮;;四旋翼飞行器姿态的自适应反演滑模控制研究[J];计算机仿真;2015年03期

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本文编号：798270