多旋翼无人飞行器自主飞行控制系统设计研究

发布时间：2017-09-24 15:07

  本文关键词：多旋翼无人飞行器自主飞行控制系统设计研究

  更多相关文章： 多旋翼飞行器 飞控信号接入 自主飞行控制系统 扩张状态观测器 自抗扰控制器 空中识别与定位

【摘要】：近年来,随着相关传感器的微型化和控制技术的日趋成熟,微小型无人飞行器逐渐走入了公众的视野,而多旋翼飞行器由于其结构简单、控制灵活等优点更成为了人们关注和研究的热点。本文以多旋翼无人飞行器为研究对象,对自主飞行控制系统及其相关实际应用进行了设计和研究,主要工作如下:1.从多旋翼飞行器系统的工作原理出发,结合单个螺旋桨的气动性能分析建立飞行器系统在垂直方向上位置姿态的简化数学模型。同时按照模块化思想对多旋翼飞行器的硬件系统进行设计研究,并结合实际应用探讨了硬件系统的选型标准。2.设计开发一种通用型自主飞行控制系统。该自主飞控系统以市售商用级成品飞控为基础,通过飞控信号接入技术完成对飞行器的自主控制,从而将成品飞控的稳定性和可自主编程的灵活性巧妙地相结合,提高了成品飞控的可二次开发性。同时通过基于数字信号处理器的控制信号捕获与生成,完成对飞控信号的自动识别和校准,简化了自主飞控系统对成品飞控的前期匹配工作。3.针对飞行器低空飞行时地面效应对高度稳定控制带来的不可直接测量扰动,设计了一种基于自抗扰控制技术的高度控制系统。通过高度数据的采集、补偿、野值剔除和滤波,得到稳定可靠的高度信息,再通过实验测定的方法对被控对象的模型阶次进行辨识,为基于线性扩张状态观测器的扰动前馈补偿提供了必要的先验知识。之后选用自抗扰控制器对补偿后的标称模型进行高度控制,并通过仿真和实验验证了设计算法的有效性。4.在自主飞行控制系统的基础上,进一步研究了几类结合视觉导航系统的典型应用。通过八旋翼飞行器实物平台,完成了对地面静止和移动目标的低空定位与跟踪,并结合高度控制系统完成了对地面目标的空间定位,再配合机载的机械抓取机构即可完成对地面特定目标的自主识别和抓取码放等任务。
【关键词】：多旋翼飞行器 飞控信号接入 自主飞行控制系统 扩张状态观测器 自抗扰控制器 空中识别与定位
【学位授予单位】：北京理工大学
【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11-21
• 1.1 研究背景与意义11-13
• 1.1.1 本设计的研究背景11-12
• 1.1.2 本设计的研究意义12-13
• 1.2 国内外发展与研究现状13-19
• 1.2.1 旋翼飞行器的发展历程13-15
• 1.2.2 旋翼飞行器控制算法领域的研究现状15-17
• 1.2.3 旋翼飞行器动力学结构领域的研究现状17-19
• 1.3 本文的主要工作19-21
• 第2章 多旋翼无人飞行器系统21-32
• 2.1 多旋翼无人飞行器系统工作原理21-24
• 2.2 多旋翼无人飞行器系统垂直方向位置姿态模型建立24-27
• 2.2.1 单个螺旋桨转速与升力的简化关系模型25
• 2.2.2 建立垂直方向的位置姿态模型25-27
• 2.3 多旋翼无人飞行器硬件系统设计27-31
• 2.3.1 多旋翼飞行器硬件系统的结构组成27-29
• 2.3.2 多旋翼飞行器硬件系统的选型标准研究29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 基于飞控信号接入技术的通用自主飞控系统32-46
• 3.1 飞控信号特征分析与识别校准33-38
• 3.1.1 飞行控制信号的特征分析33-35
• 3.1.2 基于数字信号处理器的控制信号捕获与生成35-37
• 3.1.3 飞行控制信号的识别与校准37-38
• 3.2 基于多通道数据选择器的飞控信号接入系统38-40
• 3.3 通用无人飞行器自主飞行控制系统40-44
• 3.3.1 通用自主飞行控制系统硬件设计40-42
• 3.3.2 通用自主飞行控制系统软件设计42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第4章 基于自抗扰控制技术的飞行器高度控制系统46-68
• 4.1 高度数据实时采集与处理46-51
• 4.1.1 基于激光测距仪的高度数据测量47-48
• 4.1.2 基于三轴陀螺仪的姿态角高度数据补偿48-49
• 4.1.3 高度数据的野值剔除与滤波处理49-51
• 4.2 高度控制系统模型阶次辨识与分析51-55
• 4.2.1 模型辨识输入信号的选择51-52
• 4.2.2 模型辨识输入信号参数的计算52-54
• 4.2.3 模型阶次的辨识54-55
• 4.3 基于扩张状态观测器的扰动前馈补偿55-57
• 4.4 基于自抗扰控制技术的高度控制系统设计57-59
• 4.5 仿真和实验59-67
• 4.6 本章小结67-68
• 第5章 结合视觉导航系统的典型应用68-76
• 5.1 八旋翼无人飞行器实物平台68-70
• 5.2 基于图像识别技术的视觉导航系统70
• 5.3 结合视觉导航的自主飞控系统典型应用70-75
• 5.3.1 地面静止目标的低空水平定位70-72
• 5.3.2 结合高度控制系统的地面静止目标空间定位72-74
• 5.3.3 地面移动目标的空中水平定位与跟踪74-75
• 5.4 本章小结75-76
• 结论76-78
• 参考文献78-82
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单82-83
• 致谢83

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7 邓寅U，

本文编号：912071