基于优化算法的四旋翼飞行器的控制研究
发布时间：2021-07-04 21:37
四旋翼飞行器作为一种垂直起降式的飞行装置,因其成本低廉、操作灵活、结构简单和机动性良好等优势,在农业考察、目标跟踪、灾后搜救、森林防火、反恐监控和娱乐航拍等众多领域中均得到了广泛应用。然而在实际飞行过程中,四旋翼飞行器易受到气流、陀螺效应以及噪声等外部因素的干扰,同时由于其自身结构的欠驱动、强耦合、多输入多输出和非最小相位等特性,使得四旋翼飞行器控制系统的设计和稳定性分析变得十分困难。因此,深入研究四旋翼飞行器的控制方案,并设计出一个稳定可靠的飞行控制系统实现四旋翼飞行器对指定轨迹的跟踪控制是十分必要的。本文的主要研究内容如下:首先,本文对四旋翼飞行器的工作原理和常用的姿态描述方式进行了详细分析,并在此基础之上,利用牛顿-欧拉定理和刚体力学理论建立了四旋翼飞行器的原始动力学模型。同时为了便于机体模型的分析和控制算法的研究,本文根据假设条件,对四旋翼飞行器的原始动力学模型进行合理简化,为后面四旋翼飞行器轨迹跟踪控制系统的设计打下了坚实的基础。其次,针对四旋翼飞行器对期望轨迹的稳定跟踪控制问题,本文利用串级PID算法设计了一种双回路轨迹跟踪控制系统,并在Matlab/Simulink环境中...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
首架四旋翼飞行器
杭州电子科技大学硕士学位论文2的发展奠定了重要基础，同时如何设计出一个稳定可靠的飞行控制系统也已成为了当下的热点问题[16-17]。在四旋翼飞行器控制系统的设计中，位置和姿态的精确控制是飞行器执行任何飞行任务的基本前提。若无法实现对四旋翼飞行器的位置和姿态进行精确控制，则飞行器后续任务的执行都无从谈起。因此，深入开展四旋翼飞行器相关研究工作，并设计出一个鲁棒性强、稳定性良好的控制器，实现飞行器对期望位置和姿态的精确控制是十分必要的。1.2四旋翼飞行器的发展历程和研究现状1.2.1四旋翼飞行器的发展历程国际上早在上个世纪初就开展了对四旋翼飞行器的相关研究工作，至今已有100多年的历史了。1907年，法国Breguet兄弟在JacquesBreguetRichet和LouisBreguet教授的指导下利用空气动力学原理制造了史上第一架四旋翼飞行器(Breguet-Richet“旋翼机1号”)[18]，如图1.1所示。但受限于当时的技术水平，特别是自控理论尚未形成体系，Breguet兄弟并没有为旋翼机1号安装任何姿态传感器和设计一个稳定可靠的飞控系统，所以飞行器在进行试飞实验时仅能短暂地离开地面，且飞行高度只有1.5米[19]。尽管如此，它仍然是四旋翼飞行器研究方面的一个重大创新，为四旋翼飞行器的后续发展奠定了重要基矗图1.1首架四旋翼飞行器图1.2DeBothezat四旋翼飞行器图1.3ConvertawingsModel“A”图1.4VZ-7四旋翼飞行器1921年，美国GeorgesDeBothezat工程师研制出了另一架大型四旋翼飞行器，飞行器机体长度达到65英尺(约20米)，如图1.2所示[20]。此款四旋翼飞行器设计的最初目的是用于美国军方作战使用，虽然先后一共经历了上百次的设计改造和试飞试验，但由于该飞行器不易
杭州电子科技大学硕士学位论文2的发展奠定了重要基础，同时如何设计出一个稳定可靠的飞行控制系统也已成为了当下的热点问题[16-17]。在四旋翼飞行器控制系统的设计中，位置和姿态的精确控制是飞行器执行任何飞行任务的基本前提。若无法实现对四旋翼飞行器的位置和姿态进行精确控制，则飞行器后续任务的执行都无从谈起。因此，深入开展四旋翼飞行器相关研究工作，并设计出一个鲁棒性强、稳定性良好的控制器，实现飞行器对期望位置和姿态的精确控制是十分必要的。1.2四旋翼飞行器的发展历程和研究现状1.2.1四旋翼飞行器的发展历程国际上早在上个世纪初就开展了对四旋翼飞行器的相关研究工作，至今已有100多年的历史了。1907年，法国Breguet兄弟在JacquesBreguetRichet和LouisBreguet教授的指导下利用空气动力学原理制造了史上第一架四旋翼飞行器(Breguet-Richet“旋翼机1号”)[18]，如图1.1所示。但受限于当时的技术水平，特别是自控理论尚未形成体系，Breguet兄弟并没有为旋翼机1号安装任何姿态传感器和设计一个稳定可靠的飞控系统，所以飞行器在进行试飞实验时仅能短暂地离开地面，且飞行高度只有1.5米[19]。尽管如此，它仍然是四旋翼飞行器研究方面的一个重大创新，为四旋翼飞行器的后续发展奠定了重要基矗图1.1首架四旋翼飞行器图1.2DeBothezat四旋翼飞行器图1.3ConvertawingsModel“A”图1.4VZ-7四旋翼飞行器1921年，美国GeorgesDeBothezat工程师研制出了另一架大型四旋翼飞行器，飞行器机体长度达到65英尺(约20米)，如图1.2所示[20]。此款四旋翼飞行器设计的最初目的是用于美国军方作战使用，虽然先后一共经历了上百次的设计改造和试飞试验，但由于该飞行器不易
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PD控制器的四旋翼飞行器参数优化控制[J]. 郑凯琪,王家军. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]集成两变异策略的差分进化算法[J]. 汪慎文,谢承旺,郭肇禄,王培崇,张翠军. 武汉大学学报(理学版). 2019(03)
[3]基于大爆炸大收敛算法的PID参数整定[J]. 马安飞,王家军. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[4]无人机吊挂飞行系统的减摆控制设计[J]. 王诗章,鲜斌,杨森. 自动化学报. 2018(10)
[5]自适应粒子群在四旋翼PID参数优化中的应用[J]. 康日晖,马珺,贾华宇. 计算机仿真. 2018(03)
[6]基于反步滑模法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制[J]. 吴梅,涂彪,罗瑜. 飞行力学. 2018(03)
[7]基于ESO的LQR控制器在无人机姿态控制中的研究[J]. 潘健,刘昌龙. 系统仿真学报. 2018(02)
[8]基于改进大爆炸算法的结构损伤识别[J]. 尹智毅,张艾迪,林楷钊,吕中荣. 中山大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]无人机成“玩具”后,反无人机产业悄然兴起[J]. 梁丽雯. 金融科技时代. 2017(02)
[10]多无人机协同编队飞行控制研究现状及发展[J]. 宗群,王丹丹,邵士凯,张博渊,韩宇. 哈尔滨工业大学学报. 2017(03)
博士论文
[1]四旋翼无人机编队飞行控制方法的研究[D]. 李乐宝.浙江大学 2017
硕士论文
[1]四旋翼无人机视觉导航与轨迹跟踪[D]. 邓兆森.哈尔滨工业大学 2018
[2]小型四旋翼无人机飞行控制算法研究[D]. 余杭.武汉科技大学 2018
[3]基于神经网络自适应的四旋翼飞行控制方法研究[D]. 李晨杰.沈阳航空航天大学 2018
[4]基于粒子群参数优化的四旋翼飞行器控制器设计研究[D]. 赵玉颖.兰州交通大学 2017
[5]基于四旋翼无人机控制的轨迹跟踪优化问题研究[D]. 王川.东南大学 2017
[6]基于遗传算法优化规则的四旋翼无人机模糊PID控制算法研究[D]. 毛贻汉.武汉理工大学 2017
[7]四旋翼飞行器控制系统多目标姿态调节[D]. 孙庆阳.东北大学 2017
[8]考虑执行器饱和的四旋翼无人机控制系统设计[D]. 李鸿儒.哈尔滨工业大学 2016
[9]基于串级PID控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 乌仁别丽克.东华大学 2016
[10]四旋翼飞行器设计与姿态调整控制算法的研究[D]. 王亮.湖南大学 2016
本文编号：3265587
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
首架四旋翼飞行器
杭州电子科技大学硕士学位论文2的发展奠定了重要基础，同时如何设计出一个稳定可靠的飞行控制系统也已成为了当下的热点问题[16-17]。在四旋翼飞行器控制系统的设计中，位置和姿态的精确控制是飞行器执行任何飞行任务的基本前提。若无法实现对四旋翼飞行器的位置和姿态进行精确控制，则飞行器后续任务的执行都无从谈起。因此，深入开展四旋翼飞行器相关研究工作，并设计出一个鲁棒性强、稳定性良好的控制器，实现飞行器对期望位置和姿态的精确控制是十分必要的。1.2四旋翼飞行器的发展历程和研究现状1.2.1四旋翼飞行器的发展历程国际上早在上个世纪初就开展了对四旋翼飞行器的相关研究工作，至今已有100多年的历史了。1907年，法国Breguet兄弟在JacquesBreguetRichet和LouisBreguet教授的指导下利用空气动力学原理制造了史上第一架四旋翼飞行器(Breguet-Richet“旋翼机1号”)[18]，如图1.1所示。但受限于当时的技术水平，特别是自控理论尚未形成体系，Breguet兄弟并没有为旋翼机1号安装任何姿态传感器和设计一个稳定可靠的飞控系统，所以飞行器在进行试飞实验时仅能短暂地离开地面，且飞行高度只有1.5米[19]。尽管如此，它仍然是四旋翼飞行器研究方面的一个重大创新，为四旋翼飞行器的后续发展奠定了重要基矗图1.1首架四旋翼飞行器图1.2DeBothezat四旋翼飞行器图1.3ConvertawingsModel“A”图1.4VZ-7四旋翼飞行器1921年，美国GeorgesDeBothezat工程师研制出了另一架大型四旋翼飞行器，飞行器机体长度达到65英尺(约20米)，如图1.2所示[20]。此款四旋翼飞行器设计的最初目的是用于美国军方作战使用，虽然先后一共经历了上百次的设计改造和试飞试验，但由于该飞行器不易
杭州电子科技大学硕士学位论文2的发展奠定了重要基础，同时如何设计出一个稳定可靠的飞行控制系统也已成为了当下的热点问题[16-17]。在四旋翼飞行器控制系统的设计中，位置和姿态的精确控制是飞行器执行任何飞行任务的基本前提。若无法实现对四旋翼飞行器的位置和姿态进行精确控制，则飞行器后续任务的执行都无从谈起。因此，深入开展四旋翼飞行器相关研究工作，并设计出一个鲁棒性强、稳定性良好的控制器，实现飞行器对期望位置和姿态的精确控制是十分必要的。1.2四旋翼飞行器的发展历程和研究现状1.2.1四旋翼飞行器的发展历程国际上早在上个世纪初就开展了对四旋翼飞行器的相关研究工作，至今已有100多年的历史了。1907年，法国Breguet兄弟在JacquesBreguetRichet和LouisBreguet教授的指导下利用空气动力学原理制造了史上第一架四旋翼飞行器(Breguet-Richet“旋翼机1号”)[18]，如图1.1所示。但受限于当时的技术水平，特别是自控理论尚未形成体系，Breguet兄弟并没有为旋翼机1号安装任何姿态传感器和设计一个稳定可靠的飞控系统，所以飞行器在进行试飞实验时仅能短暂地离开地面，且飞行高度只有1.5米[19]。尽管如此，它仍然是四旋翼飞行器研究方面的一个重大创新，为四旋翼飞行器的后续发展奠定了重要基矗图1.1首架四旋翼飞行器图1.2DeBothezat四旋翼飞行器图1.3ConvertawingsModel“A”图1.4VZ-7四旋翼飞行器1921年，美国GeorgesDeBothezat工程师研制出了另一架大型四旋翼飞行器，飞行器机体长度达到65英尺(约20米)，如图1.2所示[20]。此款四旋翼飞行器设计的最初目的是用于美国军方作战使用，虽然先后一共经历了上百次的设计改造和试飞试验，但由于该飞行器不易
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PD控制器的四旋翼飞行器参数优化控制[J]. 郑凯琪,王家军. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]集成两变异策略的差分进化算法[J]. 汪慎文,谢承旺,郭肇禄,王培崇,张翠军. 武汉大学学报(理学版). 2019(03)
[3]基于大爆炸大收敛算法的PID参数整定[J]. 马安飞,王家军. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[4]无人机吊挂飞行系统的减摆控制设计[J]. 王诗章,鲜斌,杨森. 自动化学报. 2018(10)
[5]自适应粒子群在四旋翼PID参数优化中的应用[J]. 康日晖,马珺,贾华宇. 计算机仿真. 2018(03)
[6]基于反步滑模法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制[J]. 吴梅,涂彪,罗瑜. 飞行力学. 2018(03)
[7]基于ESO的LQR控制器在无人机姿态控制中的研究[J]. 潘健,刘昌龙. 系统仿真学报. 2018(02)
[8]基于改进大爆炸算法的结构损伤识别[J]. 尹智毅,张艾迪,林楷钊,吕中荣. 中山大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]无人机成“玩具”后,反无人机产业悄然兴起[J]. 梁丽雯. 金融科技时代. 2017(02)
[10]多无人机协同编队飞行控制研究现状及发展[J]. 宗群,王丹丹,邵士凯,张博渊,韩宇. 哈尔滨工业大学学报. 2017(03)
博士论文
[1]四旋翼无人机编队飞行控制方法的研究[D]. 李乐宝.浙江大学 2017
硕士论文
[1]四旋翼无人机视觉导航与轨迹跟踪[D]. 邓兆森.哈尔滨工业大学 2018
[2]小型四旋翼无人机飞行控制算法研究[D]. 余杭.武汉科技大学 2018
[3]基于神经网络自适应的四旋翼飞行控制方法研究[D]. 李晨杰.沈阳航空航天大学 2018
[4]基于粒子群参数优化的四旋翼飞行器控制器设计研究[D]. 赵玉颖.兰州交通大学 2017
[5]基于四旋翼无人机控制的轨迹跟踪优化问题研究[D]. 王川.东南大学 2017
[6]基于遗传算法优化规则的四旋翼无人机模糊PID控制算法研究[D]. 毛贻汉.武汉理工大学 2017
[7]四旋翼飞行器控制系统多目标姿态调节[D]. 孙庆阳.东北大学 2017
[8]考虑执行器饱和的四旋翼无人机控制系统设计[D]. 李鸿儒.哈尔滨工业大学 2016
[9]基于串级PID控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 乌仁别丽克.东华大学 2016
[10]四旋翼飞行器设计与姿态调整控制算法的研究[D]. 王亮.湖南大学 2016
本文编号：3265587
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