基于姿态控制的四旋翼飞控系统研究

发布时间：2017-10-04 15:34

  本文关键词：基于姿态控制的四旋翼飞控系统研究

  更多相关文章： 四旋翼飞行器 数学建模 PID算法 模糊PID算法 Simulink仿真

【摘要】：四旋翼飞行器以其可垂直起降(不受起降场地的限制),机动性强,结构简单且紧凑,操作容易等特点,被各个领域作为一种新兴的空中移动平台,搭载的各种相应的任务载荷,广泛地应用于影视航拍、电力巡线、情报监视、战损评估等诸多方面。其应用价值的凸显,受到了无数研发人员的青睐。四旋翼飞行器无论是全自主飞行还是在遥控器的操控下飞行都离不开飞行控制系统,飞控系统的优劣确定飞行器飞行效果的好坏,因此飞控系统的研究是对四旋翼姿态控制的关键。本文选用了十字型结构的四旋翼飞行器,在将其视为刚体、机体质量均匀分布、不计空气阻力影响等条件下,运用牛顿第二运动定律与欧拉公式对四旋翼飞行器进行基于航空理论、气动力学理论、现代控制理论的数学模型的建立,并根据实际控制需求对建立的复杂数学模型进行简化。分别对传统的PID算法和模糊PID算法进行剖析和对比。根据模糊控制的具体规则,运用Matlab中的FIS编辑器对模糊PID控制器进行设计。优化原有的四旋翼飞行器的控制策略,并对优化过程进行清晰的阐述,分析新策略的优缺点。四旋翼飞行器飞行控制系统软件部分,采用了模块化设计,既可以简化软件设计的复杂度,又利于程序的后期调试。整个软件包括的模块有:数据采集模块、中央控制模块、电机控制模块、数据通信模块、数据仿真模块。对每一个具体的模块的功能做具体说明,并详细的阐述其内部的运行机理。结合所建立的四旋翼飞行器的数学模型和优化后的控制策略,运用Matlab中的Simulink仿真模块,分别搭建基于传统PID控制器飞控系统仿真图、在扰动影响下的飞控系统仿真图和基于模糊PID控制器的飞控系统仿真图。经过对所有仿真结果分析和对比,总结得出:优化后的控制策略适用于四旋翼飞控系统并能简化整个控制过程,在一定范围的扰动下仍能保持稳定,模糊PID控制器的控制效果优于传统PID控制器。最后,使用SimMechanics对四旋翼进行3D动画仿真,观察姿态控制仿真效果的好坏。
【关键词】：四旋翼飞行器 数学建模 PID算法 模糊PID算法 Simulink仿真
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-14
• 1.1 研究背景及意义7-8
• 1.2 多旋翼飞行器早期研究发展8-10
• 1.3 多旋翼飞行器的研究状况10-11
• 1.4 四旋翼飞行器的关键技术11-12
• 1.5 本文主要工作12-14
• 第2章 四旋翼飞行器动力学模型14-26
• 2.1 原理分析14-17
• 2.2 四旋翼飞行器模型建立17-24
• 2.2.1 坐标系建立17-19
• 2.2.2 四旋翼飞行器的数学模型19-24
• 2.3 系统状态方程24-26
• 第3章 控制算法与控制策略26-42
• 3.1 PID控制算法26-29
• 3.1.1 经典PID控制器27-28
• 3.1.2 数字PID控制器28-29
• 3.2 模糊PID算法及控制器设计29-38
• 3.3 控制策略优化38-42
• 第4章 四旋翼飞行器飞行控制系统设计42-50
• 4.1 系统软件结构设计42-44
• 4.2 系统软件总体流程44-45
• 4.3 数据采集流程45-46
• 4.4 加速度计数据采集流程46-48
• 4.5 控制算法流程48-50
• 第5章 系统仿真及结果分析50-64
• 5.1 传递函数计算50-51
• 5.2 姿态角仿真51-54
• 5.3 姿态角扰动仿真54-56
• 5.4 模糊PID控制仿真56-59
• 5.5 Sim Mechanics仿真59-64
• 5.5.1 Sim Mechanics物理建模59-60
• 5.5.2 Sim Mechanicslink导入模型60-61
• 5.5.3 PID参数自主生成61-62
• 5.5.4 四旋翼Sim Mechanics仿真62-64
• 第6章 总结与展望64-66
• 参考文献66-69
• 致谢69

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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

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本文编号：971486