基于负载下四旋翼飞行器控制方法的研究

发布时间：2017-10-01 20:09

  本文关键词：基于负载下四旋翼飞行器控制方法的研究

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【摘要】：小型四旋翼无人机飞行器是一种具有两对相互垂直分布的螺旋桨所组成的飞行器,它通过四个旋翼不同的转速借以改变其升力,最终实现飞行器在上下、前后、左右的六个方向上飞行的效果。由于相比于固定翼飞行器,四旋翼飞行器具有小巧,便携的特点并且可以完成悬停,盘旋等复杂的飞行任务,所以近年来,国内外的科研学者都在致力于四旋翼飞行器的研究,虽然已经取得了多方面的突破,但是仍有许多难点尚未解决。本论文针对众多难点中较为突出的问题即四旋翼飞行器在负载下的平稳飞行进行研究,并开展工作。在论文中,首先介绍了四旋翼飞行器的应用场景,研究本课题的重要意义以及近年来国内外在相关领域取得的成果。接下来对四旋翼飞行器进行了数学模型和电机模型的建模及分析。在以上模型的基础上,分别采用经典PID控制、基于RBF神经网络PID控制以及串级PID控制作为控制方法对四旋翼飞行器系统进行控制方法的效果对比。在效果对比实验方面,根据所建立的模型并结合以上三种控制方法,利用Matlab/Simulink进行仿真并给出了相应的仿真结果,并对该结果进行分析,最终选择串级PID控制作为负载下实物飞行时的控制算法。其次,为了更好的进行实物飞行的实验,搭建了相应的实验平台,其中四旋翼飞行器主要由电机、电调、螺旋桨、飞控板以及遥控器等部分组成,而检测模块主要由加速度计、电子罗盘、陀螺仪、气压计等多种传感器组成,通过各个传感器的相互配合,使得实验结果更加准确,提高了实验的精度。最后,本论文以以上实验分析及实验平台为基础,对四旋翼飞行器进行了实物负载下的悬停飞行实验,采用遥控的方式分别对经典PID控制和串级PID控制下四旋翼飞行器进行测试,最终实验表明,在四旋翼飞行器下方挂有负载这一比较苛刻的实验条件下,串级PID控制下的飞行效果十分优异。
【关键词】：四旋翼飞行器 经典PID控制 负载 串级PID控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题的背景及意义10
• 1.2 四旋翼飞行器的发展现状10-15
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-15
• 1.3 四旋翼飞行器的关键技术15-16
• 1.4 本文主要内容16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 第2章 四旋翼飞行器飞行原理介绍及数学模型分析18-26
• 2.1 四旋翼飞行器的结构及飞行原理18-20
• 2.1.1 四旋翼飞行器的机体组成18-19
• 2.1.2 四旋翼飞行器的飞行原理19-20
• 2.2 四旋翼飞行器的数学模型20-25
• 2.2.1 线性运动方程22-23
• 2.2.2 角运动方程23-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 四旋翼飞行器姿态控制方法的研究26-38
• 3.1 经典PID控制26-29
• 3.1.1 经典PID控制原理26-27
• 3.1.2 经典PID控制器的设计27-28
• 3.1.3 经典PID控制下的仿真实验28-29
• 3.2 基于RBF神经网络PID控制29-33
• 3.2.1 基于RBF神经网络PID控制原理29-31
• 3.2.2 基于RBF神经网络PID控制器的设计31
• 3.2.3 RBF神经网络PID控制下的仿真实验31-33
• 3.3 串级PID控制器的设计33-37
• 3.3.1 串级PID控制原理33-34
• 3.3.2 串级PID控制器的设计34
• 3.3.3 串级PID控制下的仿真实验34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第4章 四旋翼飞行器飞行控制系统设计38-48
• 4.1 四旋翼飞行器系统硬件设计38-42
• 4.1.1 主控芯片39-40
• 4.1.2 姿态检测单元40-42
• 4.1.3 外围部分42
• 4.2 四旋翼飞行器系统软件设计42-46
• 4.2.1 四旋翼飞行器飞行控制系统设计42-45
• 4.2.2 四旋翼飞行器控制算法流程设计45-46
• 4.3 本章小结46-48
• 第5章 实验飞行结果与分析48-58
• 5.1 实验前假设48-49
• 5.2 经典PID控制四旋翼飞行器姿态49-52
• 5.2.1 经典PID控制下无负载49-50
• 5.2.2 经典PID控制下单边负载50-52
• 5.3 串级PID控制四旋翼飞行器姿态52-57
• 5.3.1 串级PID控制下无负载52-53
• 5.3.2 串级PID控制下单边负载53-55
• 5.3.3 串级PID控制下双边负载55-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第6章 总结与展望58-60
• 6.1 本文主要工作的总结58
• 6.2 今后工作的展望58-60
• 参考文献60-66
• 作者简介66-68
• 致谢68

【参考文献】

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本文编号：955408