四旋翼飞行器设计与姿态调整控制算法的研究

发布时间：2017-09-24 01:01

  本文关键词：四旋翼飞行器设计与姿态调整控制算法的研究

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种可以垂直起降的多旋翼旋翼式飞行器,通常采用十字型对称分布,四个螺旋桨分别分布在支架末端。无需像单旋翼飞行器的尾部旋翼来抵消回旋扭力,节能的同时也使飞行器更加紧凑。它仅需通过调节四个螺旋桨转速调节相应拉力进而调整飞行器的姿态,结构上更加简单可靠。因其有四个螺旋桨,负荷更大,可使桨叶可以做得更小,便于小型化。其可以在空中自由地悬停和移动,具有很大的灵活性。由于四旋翼飞行器有着诸多优点,可应用于新概念交通领域、安保领域、建筑领域及其它高危作业环境,使其有着广泛的应用前景。四旋翼飞行器拥有上述优点的同时,也需要解决很多控制上的问题。因其有六个空间自由度和四个控制输入,属于多变量欠驱动强耦合的非线性系统,因此建模比较复杂,控制算法要求相对较高。本文通过对四旋翼飞行器工作原理、动力学特性、运动状态的分析和研究,建立其动态模型。将动态模型解耦、化简、线性化代入飞行器相关参数得到仿真所需传递函数,利用传递函数在MATLAB中建立仿真平台,验证本论文提出的算法控制飞行器的有效性。本文基于STM32F103RBT6主控芯片,分别制作了飞控板和遥控器,搭建了四旋翼飞行器系统,为算法的验证提供了实物平台。本文提出了一种由LQR和PID协同控制四旋翼飞行器姿态调整的控制方案。由惯性测量单元测得数据,经卡尔曼滤波器融合信息后传递给PID+LQR控制器。通过MATLAB搭建的仿真平台和实物平台验证该控制器解决了四旋翼飞行器不能快速稳定地响应指定位置以及抗扰性弱等问题。也表明该控制器可以保证飞行器快速准确地调节至指定位置与航向,增强了抗扰性。
【关键词】：四旋翼飞行器 数学模型 姿态调整 PID控制 LQR控制
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 四旋翼飞行器国内外发展和研究现状12-14
• 1.2.1 四旋翼飞行器国外研究现状12-14
• 1.2.2 四旋翼飞行器国内研究现状14
• 1.3 本文研究的主要内容与组织结构14-17
• 1.3.1 本文研究目标14
• 1.3.2 本文的研究内容14-15
• 1.3.3 本文的创新点15
• 1.3.4 本文的组织结构15-17
• 第2章 四旋翼飞行器理论基础17-33
• 2.1 引言17
• 2.2 四旋翼飞行器工作原理17-19
• 2.3 坐标体系的建立19-24
• 2.3.1 坐标系定义19-20
• 2.3.2 建模相关变量的定义20-22
• 2.3.3 坐标转换矩阵22-24
• 2.4 四旋翼飞行器建模24-32
• 2.4.1 动力学方程24-29
• 2.4.2 运动学方程29-30
• 2.4.3 系统非线性模型30-31
• 2.4.4 模型简化31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 四旋翼飞行器系统设计33-40
• 3.1 引言33
• 3.2 飞控板硬件电路设计33-37
• 3.2.1 电源电路设计33-34
• 3.2.2 微处理器最小系统电路设计34-35
• 3.2.3 惯性测量单元35-36
• 3.2.4 通信电路36
• 3.2.5 驱动电路设计36-37
• 3.3 飞控板软件设计37-38
• 3.3.1 控制程序分析37
• 3.3.2 程序流程图37-38
• 3.4 遥控器硬件电路设计38
• 3.5 遥控器软件设计38-39
• 3.5.1 控制程序分析38-39
• 3.5.2 程序流程图39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 四旋翼飞行器控制算法分析选取与仿真40-61
• 4.1 引言40-41
• 4.2 四旋翼飞行器常用控制方法介绍41-43
• 4.3 四旋翼飞行器控制通道函数43-44
• 4.4 控制器的设计与仿真44-59
• 4.4.1 PID控制算法分析44-46
• 4.4.2 PID控制器设计与仿真46-50
• 4.4.3 卡尔曼滤波算法分析50-51
• 4.4.4 卡尔曼-PID算法控制器设计与仿真51-54
• 4.4.5 LQR控制算法分析54-56
• 4.4.6 卡尔曼-PID+LQR算法控制器设计与仿真56-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 四旋翼飞行器系统测试61-66
• 5.1 引言61
• 5.2 遥控器测试61-62
• 5.3 飞控板测试62-65
• 5.3.1 偏航角初始化时间测量62
• 5.3.2 俯仰角和横滚角偏差测试62-64
• 5.3.3 四旋翼飞行器平衡测试64-65
• 5.4 四旋翼飞行器整体飞行测试65
• 5.5 本章小结65-66
• 总结与展望66-68
• 参考文献68-71
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录71-72
• 附录B 四旋翼飞行器原理图72-73
• 附录C 四旋翼飞行器PCB图73-74
• 致谢74

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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：908443