小型无人机姿态控制律设计及仿真研究

发布时间：2017-09-21 05:44

  本文关键词：小型无人机姿态控制律设计及仿真研究

  更多相关文章： 无人机 姿态控制 PID控制 蜂群算法 半实物仿真

【摘要】：近一个世纪以来,无人机分别在军、民与科研等范畴内发挥了越来越大的作用。由于无人机具有广泛的应用价值,使其成为当今世界发展的热点,目前正在向低成本小型化的方向发展。无人机的各种姿态控制都是需要依靠无人机自动驾驶仪来完成的,因此对无人机自动驾驶仪控制律的设计对促进无人机事业的成长有着极其重大的实际意义。本文以某小型固定翼无人机为研究对象,详细讨论了无人机飞行时数学模型的建立过程,并且在基准状态点下线性化。然后通过对飞行控制系统的结构及原理的分析,分别设计了纵向姿态运动和横侧向姿态运动的控制策略。此后,在通过对蜂群算法的深入研究之后将其进行改进,把改进型蜂群算法应用到PID控制器的参数优化当中,并分别对俯仰、滚转和偏航三种姿态进行控制律的设计及仿真的研究。本课题是以惯性导航自动驾驶仪APM2.5作为软硬件平台进行研究,着重分析了APM2.5的硬件配置和选型,并且对主程序及主要操作部件的控制程序进行深入的研究。最后,通过X-Plane、Mission Planner和APM2.5为主要部分建立半实物仿真平台,规划飞行路线进行试验,通过试验结果证明本文所设计控制律的可靠性及正确性。
【关键词】：无人机 姿态控制 PID控制 蜂群算法 半实物仿真
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;TP391.9
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 选题背景及意义11-12
• 1.2 飞行控制系统的研究现状12-13
• 1.3 PID参数整定优化方法概述13-14
• 1.4 蜂群算法概述14
• 1.5 本文主要研究的内容及各个章节的安排14-16
• 第2章 小型无人机的数学模型及其线性化16-31
• 2.1 小型无人机平台16-17
• 2.2 假设条件17
• 2.3 小型无人机空间飞行运动的表示17-22
• 2.3.1 常用坐标系的定义17-18
• 2.3.2 无人机飞行运动参数简介18-20
• 2.3.3 坐标轴系之间的相互转换20-22
• 2.4 无人机数学模型22-26
• 2.4.1 作用在无人机上的力与力矩分析22-24
• 2.4.2 无人机非线性数学模型24-26
• 2.5 无人机非线性数学模型的线性化26-28
• 2.6 无人机状态点的设计及分析28-30
• 2.6.1 纵向姿态运动28-29
• 2.6.2 横侧向姿态运动29-30
• 2.7 本章小结30-31
• 第3章 小型无人机姿态控制律设计及仿真31-51
• 3.1 小型无人机飞行控制策略设计31-36
• 3.1.1 飞行控制系统31-32
• 3.1.2 纵向姿态运动控制策略32-34
• 3.1.3 横侧向姿态运动控制策略34-36
• 3.2 基于改进型蜂群算法的PID控制器参数优化36-42
• 3.2.1 PID控制及参数优化37
• 3.2.2 蜂群算法及其改进思想37-40
• 3.2.3 基于改进型蜂群算法的PID控制器的设计40-42
• 3.3 基于改进型蜂群算法的控制律设计及仿真42-49
• 3.3.1 俯仰姿态控制律设计及仿真42-45
• 3.3.2 滚转姿态控制律设计及仿真45-48
• 3.3.3 偏航姿态控制律设计及仿真48-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 飞行控制系统的软硬件设计51-64
• 4.1 飞行控制系统的工作原理及功能51-52
• 4.2 APM开源自动驾驶仪的硬件组成52-57
• 4.2.1 APM开源自动驾驶仪简介52-53
• 4.2.2 APM自动驾驶仪的硬件构成53-54
• 4.2.3 APM2.5 主要部件选型54-57
• 4.3 软件设计57-61
• 4.3.1 APM2.5 的软件开发环境简介57-58
• 4.3.2 飞行控制系统软件部分的总体框架58
• 4.3.3 APM2.5 的控制方式58-59
• 4.3.4 APM2.5 飞行控制的主程序解析59-61
• 4.4 各个舵机和油门的程序控制61-63
• 4.4.1 升降舵61-62
• 4.4.2 副翼舵62
• 4.4.3 方向舵62
• 4.4.4 油门开度62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 小型无人机的半实物仿真试验64-72
• 5.1 X-Plane简介64-65
• 5.2 地面站系统及Mission Planner简介65-66
• 5.2.1 地面站65
• 5.2.2 Mission Planner65-66
• 5.3 半实物仿真平台设计66-69
• 5.3.1 需求分析66-67
• 5.3.2 建立半实物仿真平台67-68
• 5.3.3 UDP通信协议的设置68-69
• 5.4 仿真试验的运行步骤及结果分析69-71
• 5.4.1 半实物仿真运行步骤69-70
• 5.4.2 结果与分析70-71
• 5.5 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-77
• 致谢77-78
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文78

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