坐式垂直起降无人机的纵向控制研究

发布时间：2017-09-09 18:37

  本文关键词：坐式垂直起降无人机的纵向控制研究

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【摘要】：坐式垂直起降无人机能够实现垂直起飞和降落,同时兼具固定翼布局具有的尾翼和副翼,能够以固定翼模式水平飞行,它可以部署在一些具有特殊要求的环境下完成一些特殊的任务,应用前景非常广阔,潜力巨大。本文主要针对具有矢量拉力的坐式垂直起降无人机进行了研究,其机身顶端安装有固定电机的矢量电机座,既能控制电机转速以改变拉力又能通过控制矢量电机座的横向和纵向倾转角度以改变电机拉力的方向达到方向和俯仰两个姿态的控制。这种控制方式下,飞行器在低速下飞行的控制力几乎为常数,极大地提高低速情况下飞行控制系统的灵活性,且直接力控制简化了系统模型,有利于系统的仿真、分析;机翼底部安装有气动副翼,通过舵机控制完成滚转操纵。与常规固定翼无人机和旋翼无人机不同,坐式垂直起降无人机的俯仰角变化会达到甚至超过90°,常规姿态解算方式会导致万向节死锁现象的发生。本课题提出一种改变四元数旋转顺序的姿态解算方法,避免万向节死锁和奇异点的出现。并采用HMC5883L对偏航角做校正,高度回路采用MS5611传感器。采用鲁棒性和抗干扰性更强的模糊PID控制器对飞行器纵向姿态进行控制,采用串级PID对横滚、航向姿态和高度进行控制。针对具有矢量拉力的“坐”式垂直起降固定翼无人机进行动力学建模,分析系统模型的悬停、倾转过程的纵向稳定性并设计模糊PID控制器和相关隶属度函数进行校正和控制。编写基于Delphi的上位机软件进行PID参数的设置和飞行姿态角的显示。本文实现了具有矢量拉力的坐式垂直起降无人机的起飞、悬停、平飞、降落等四个过程的转换,根据实际需要进行改进,具有良好的操作性和适应性,广泛应用在一些特殊领域,具有较高的研究意义。
【关键词】：坐式垂直起降无人机 矢量拉力 欧拉角 万向节死锁 模糊PID
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V275.1;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景与研究意义8-11
• 1.1.1 课题研究背景8-10
• 1.1.2 选题意义及应用前景10-11
• 1.2 国内外发展现状11-12
• 1.3 本课题研究的主要内容12-14
• 1.4 本章小结14-16
• 第2章 坐式垂直起降无人机构成16-20
• 2.1 无人机选型16-17
• 2.2 矢量电机座设计17
• 2.3 机翼翼型选择17-18
• 2.4 动力系统组成18-19
• 2.5 遥控设备选型19
• 2.6 本章小结19-20
• 第3章 坐式垂直起降无人机控制系统硬件20-32
• 3.1 主控制器选型20-21
• 3.2 高度传感器选型21-23
• 3.3 姿态传感器23-25
• 3.4 磁罗盘传感器25-26
• 3.5 PPM编码器26-28
• 3.6 数传模块28
• 3.7 PCB制版与实物28-29
• 3.8 系统电源模块29
• 3.9 本章小结29-32
• 第4章 坐式垂直起降无人机控制系统软件32-50
• 4.1 主程序设计32
• 4.2 滤波算法设计32-36
• 4.2.1 滑动平均滤波32-34
• 4.2.2 卡尔曼滤波34-36
• 4.3 控制算法设计36-39
• 4.3.1 模糊PID算法36-39
• 4.3.2 串级PID算法39
• 4.4 姿态解算研究39-46
• 4.5 控制方案46-47
• 4.6 上位机软件设计47-49
• 4.6.1 编程语言选取47-48
• 4.6.2 通信协议48-49
• 4.7 DMA控制器49
• 4.8 本章小结49-50
• 第5章 坐式垂直起降无人机纵向姿态控制50-62
• 5.1 坐标系选择50
• 5.2 舵机回路50-51
• 5.3 飞机纵向控制建模与仿真51-56
• 5.3.1 建立数学模型51-54
• 5.3.2 仿真结果比较与分析54-56
• 5.4 飞机横滚、航向控制56
• 5.5 高度控制56-57
• 5.6 飞行试验57-61
• 5.6.1 纵向俯仰控制飞行试验57-59
• 5.6.2 滚转控制飞行试验59-61
• 5.7 本章小结61-62
• 结论62-64
• 附录64-70
• 参考文献70-76
• 攻读硕士学位期间所发表的论文76-78
• 致谢78

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本文编号：822097