基于多传感器信息融合的无人机飞行控制系统设计

发布时间：2017-09-22 19:43

  本文关键词：基于多传感器信息融合的无人机飞行控制系统设计

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【摘要】：四旋翼无人机(Quad-Rotor)具有垂直起降、自主悬停、倒飞等不同于其它无人机(UAV)的特点,能轻易进入固定翼无人机无法进入的狭小空间完成航拍、实时监控、隐蔽侦查和辅助人质营救等任务,使得它成为当前UAV研究的热点。由于小型Quad-Rotor的尺寸、重量和载荷的限制,导致其无法搭载高精度的传感器进行姿态测量,因此获取高精度姿态信息很重要。此外,由于Quad-Rotor多进行低空、狭小空间的飞行,受到外界环境干扰因素较多,所以对其飞行控制系统的研究也很重要。本系统针对上述问题,主要做了以下研究工作。深入分析了两种Quad-Rotor的姿态解算方法以及其特点,针对小型四旋翼无人机姿态解算数据精度低、缺少余度控制、易发散等问题,设计了一种多传感器融合估计算法,以此来解算Quad-Rotor姿态。为增强Quad-Rotor的飞行稳定性,以及系统的鲁棒性。以建立的Quad-Rotor系统模型为基础,采用现代控制理论与传统控制论结合的方法,设计了角速率内环LQR(线性二次型最优)控制,角度外环PID控制的双回路闭环控制器。充分利用PID控制器易于掌握且对模型要求精度低的优点,以及内回路LQR控制器能改善内回路的动态特性和稳态性能的优点,完成Quad-Rotor的飞行控制。最后,搭建Quad-Rotor实验测试平台。分别针对姿态解算和飞行控制进行试验,并给出了相应的实验数据。实验结果表明,设计的姿态估计算法快速有效,LQRPID控制器能够实现Quad-Rotor的稳定飞行。
【关键词】：四旋翼无人机 信息融合 姿态解算 线性二次型控制 PID控制
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外研究现状10-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 四旋翼飞行器研究相关技术13-14
• 1.4 本文所做的工作14-15
• 第2章 四旋翼无人机系统建模15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 四旋翼无人机结构和飞行原理15-16
• 2.3 坐标系定义及旋转矩阵16-18
• 2.4 四旋翼无人机系统模型18-22
• 2.5 本章总结22-23
• 第3章 基于信息融合的无人机姿态估算23-34
• 3.1 引言23
• 3.2 基于各传感器的导航信息解算23-28
• 3.2.1 基于陀螺仪的姿态解算23-26
• 3.2.2 基于加速度计与磁力计的姿态解算26-28
• 3.3 多传感器信息融合姿态解算28-31
• 3.3.1 自适应随机加权滤波介绍28-31
• 3.3.2 基于随机加权的姿态融合解算31
• 3.4 算法仿真实验31-33
• 3.5 本章总结33-34
• 第4章 四旋翼无人机控制算法设计34-46
• 4.1 引言34
• 4.2 四旋翼无人机线性化模型34-35
• 4.3 四旋翼无人机控姿态制器设计35-41
• 4.3.1 PID控制技术35-37
• 4.3.2 LQR控制技术37-39
• 4.3.3 LQR&PID控制系统设计39-41
• 4.4 仿真实验分析41-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第5章 四旋翼无人机的嵌入式实现与测试实验46-63
• 5.1 引言46
• 5.2 系统硬件模块设计46-50
• 5.2.1 微型计算机主控模块47
• 5.2.2 MEMS传感器测量模块47-49
• 5.2.3 遥控收发模块49-50
• 5.2.4 执行模块50
• 5.3 系统软件设计50-57
• 5.3.1 系统的总体软件框架51-52
• 5.3.2 系统初始化52-54
• 5.3.3 输入模块软件设计54
• 5.3.4 姿态解算控制模块软件设计54-56
• 5.3.5 输出模块软件设计56-57
• 5.4 物理试验57-62
• 5.4.1 姿态解算试验57-61
• 5.4.2 飞行控制试验61-62
• 5.5 本章小结62-63
• 总结与展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士期间发表论文69

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本文编号：902704