多旋翼无人机LPV飞行控制

发布时间：2017-09-27 00:28

  本文关键词：多旋翼无人机LPV飞行控制

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【摘要】：近年来,由于多旋翼无人机具有悬停、垂直起降的功能,并且机械结构简单、维护成本低廉,已经在无人飞行器中成为热门的飞行平台。目前,多旋翼无人机平台以四旋翼无人机为主,但是对于室外飞行带负载的需求,四旋翼无人机的动力、续航和抗干扰性无法满足。另外,在对多旋翼无人机的飞行控制研究中,建立的数学模型基于悬停工作点附近做了较多的简化,忽略了空气阻力,重心位置等,不能体现出前飞速度变化时模型的变化。因此,本文设计了一套八旋翼无人机系统平台,充分考虑实际飞行状态,建立了对应的非线性数学模型,以前飞速度为变参数,对各个工作点线性化后的LPV (Linear Parameter Varying)模型进行分析、设计相应的控制器、完成增益调度并仿真验证。在此基础上,设计、开发飞行控制和任务调度软件系统并进行飞行控制实验验证。主要工作内容和贡献包括：首先,根据实际项目要求以及数学建模、工程测试的需求,设计开发了完整可靠的八旋翼无人机系统平台和配套的带桨叶电机测试平台。八旋翼无人机系统平台包含核心硬件和软件系统,测试平台可用于筛选和判断电机、桨叶特性,测量、远程显示、存储带桨电机转动时所有输入输出数据,其离线数据可以用来建立电机的输入输出模型。其次,对八旋翼无人机平台建立对应的数学模型,结合空气动力学理论和实际测量的数据,完成电机、旋翼动力学、机体动力学的建模,并建立平台整体的非线性系统模型,并在一定前进比范围内,以前飞速度为变参数,在不同前飞速度工作点进行线性化获得八旋翼无人机系统的LPV模型,分析模型在前飞速度变化时系统特性的变化,在各个工作点针对内环的姿态角和外环的速度设计串级PID控制器、完成增益调度和仿真验证,并与未进行增益调度的控制效果进行对比。另外,为了更好的完成复杂完整的飞行任务,降低八旋翼无人机的操作复杂度,本文对无人机实际飞行中的飞行模式、任务调度进行了定义和软件实现,对无人机自主航线飞行任务进行软件设计、开发,首先在仿真中实现自主航线飞行,然后将上层的飞行任务调度和底层控制结合,建立一套完善的飞行控制软件系统。最后在硬件平台和软件系统完善的基础上,首先在半实物仿真平台上进行半实物仿真,以实时的DSPACE仿真系统进行数学模型的运算,验证软件逻辑和策略的可靠性,检验控制器的控制效果,在获得理想的半实物仿真效果后,将硬件和软件统一安装和转移到八旋翼无人机的机体上,以GPS/INS作为组合导航方案,设计了多个实际飞行实验,检验了各种飞行模式下,无人机飞行控制和航线飞行的效果。并作为项目样机,在室外实验场地实现了相对高度800m的自主飞行并准确回收的项目任务,控制稳定,续航、动力、抗风效果满足要求。
【关键词】：多旋翼无人机 平台设计 LPV模型 PID串级控制 增益调度 任务调度
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 多旋翼无人机研究现状13-16
• 1.3 多旋翼无人机飞行控制研究现状16-17
• 1.3.1 经典控制方法16-17
• 1.3.2 非线性控制方法17
• 1.3.3 智能控制方法17
• 1.4 课题来源17-18
• 1.5 论文主要内容及章节安排18-20
• 1.5.1 论文主要内容18-19
• 1.5.2 论文章节安排19-20
• 第二章 八旋翼无人机系统平台设计20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 硬件平台20-27
• 2.2.1 核心硬件20-25
• 2.2.2 带载设备25
• 2.2.3 航电系统集成25-26
• 2.2.4 性能评估26-27
• 2.3 软件系统27-32
• 2.3.1 软件系统结构27-28
• 2.3.2 机载软件系统28-31
• 2.3.3 地面站软件系统31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 八旋翼无人机系统LPV模型和控制34-68
• 3.1 引言34
• 3.2 坐标系和八旋翼无人机结构简介34-40
• 3.2.1 坐标系定义34-39
• 3.2.2 八旋翼无人机结构简介39-40
• 3.3 系统模型结构40-52
• 3.3.1 电机模型42-44
• 3.3.2 旋翼动力学建模44-50
• 3.3.3 机体动力学建模50-52
• 3.4 LPV系统模型52-61
• 3.4.1 LPV模型52-53
• 3.4.2 前飞配平值计算和线性化53-55
• 3.4.3 悬停工作点55-58
• 3.4.4 前飞工作点58-61
• 3.5 控制器设计61-67
• 3.5.1 悬停工作点62-65
• 3.5.2 整体调度65-67
• 3.6 本章小结67-68
• 第四章 飞行任务调度68-76
• 4.1 引言68
• 4.2 飞行控制和调度软件结构68-73
• 4.2.1 任务管理层69-70
• 4.2.2 动作规划层70-73
• 4.2.3 运动控制层73
• 4.3 航线飞行仿真73-75
• 4.4 本章小结75-76
• 第五章 八旋翼无人机飞行控制实验76-88
• 5.1 引言76
• 5.2 半实物仿真76-77
• 5.3 室外飞行实验77-86
• 5.3.1 悬停实验78-83
• 5.3.2 自主航线实验83-86
• 5.4 本章小结86-88
• 第六章 总结与展望88-90
• 6.1 论文总结88-89
• 6.2 后续工作展望89-90
• 参考文献90-96
• 作者简介96
• 作者攻读硕士期间完成的科研成果96

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 岳基隆;张庆杰;朱华勇;;微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J];电光与控制;2010年10期

2 Ashfaq Ahmad Mian;;Modeling and Backstepping-based Nonlinear Control Strategy for a 6 DOF Quadrotor Helicopter[J];Chinese Journal of Aeronautics;2008年03期

3 辛宏，高正;直升机涡环状态速度边界的试验研究[J];南京航空航天大学学报;1995年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 云昭洁;小型无人直升机飞行控制与任务调度[D];浙江大学;2012年

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本文编号：926647