四旋翼飞行器控制系统设计与研究

发布时间：2017-03-21 11:01

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种由四组电机旋翼联合驱动从而实现垂直起降、横滚、俯仰等一系列空中动作的无人飞行器,其主要的特点有机动性与操控性强、结构简单新颖、制造成本低、易于实现定点悬停等,具有广泛的应用前景。在军事战场上,特别是近地环境,可以用于执行战场侦查与监视,其优良的隐蔽性与机动性可执行某些士兵无法完成的任务,甚至可配备电子干扰器或者小型武器,对敌方目标发起直接攻击。在民用方面,可将其应用到森林、山地、海洋等地形复杂的环境中执行搜索、救援等任务。在工业方面,可利用其对道路桥梁、输油管道、电力输送设备等进行安全巡检,不仅能够降低成本,而且能够提高巡检效率。因此,四旋翼飞行器的开发与应用获得了众多科研人员的关注。本文设计了一套四旋翼飞行器的控制系统,完成了样机的搭建。依据飞行器的飞行原理,分别完成了PID控制器与无模型控制器的设计。通过悬停飞行实验,对两种控制器在姿态控制的稳定性以及抗扰动性方面进行了研究。本文主要包括以下内容:1、针对任务要求与性能需求,提出了一种四旋翼飞行器飞行控制系统的硬件总体方案。综合考虑性能、功耗、价格等因素选取合适的电子器材,以STM32为主控制器,配合陀螺仪传感器、加速度传感器、高度计等来设计姿态控制系统,选取直流无刷电机作为动力机构。设计了相关的硬件电路图,并完成四旋翼飞行器样机的制作。2、四旋翼飞行器控制算法的研究是本文的重点内容,本文首先介绍了基于动力学简化模型的PID控制器,该控制器是具有姿态控制回路与位置控制回路的双环结构。然后,根据四旋翼飞行器难以建立精准的动力学模型这个特点,提出了一种新的无模型控制器的实现方案。3、以所制作的四旋翼飞行器为平台,分别应用两种控制算法进行悬停飞行实验,验证了两种控制器在俯仰角、滚转角、高度控制的稳定性以及抗扰动的性能。实验结果表明,两种控制器均能达到理想的控制效果,且各具有优势。
【关键词】：四旋翼飞行器 PID控制 无模型控制器 飞行控制系统 STM32
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第1章 概论11-19
• 1.1 研究的背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.3 硬件平台的分类16
• 1.4 四旋翼飞行器研究的一些关键问题16-17
• 1.4.1 整机最优化设计16-17
• 1.4.2 动力与能耗设计17
• 1.4.3 非线性系统模型的准确建立17
• 1.4.4 飞行控制器的设计17
• 1.5 论文研究的主要工作17-18
• 1.6 本章小结18-19
• 第2章 四旋翼飞行器架构与硬件设计19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 机身架构19-20
• 2.3 飞行控制系统方案20-22
• 2.4 硬件选型与设计22-30
• 2.4.1 主控制器22-23
• 2.4.2 陀螺仪传感器23-24
• 2.4.3 加速度传感器24-25
• 2.4.4 高度计25-26
• 2.4.5 电源电路设计26-27
• 2.4.6 直流无刷电机27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 建立四旋翼飞行器动力学模型31-38
• 3.1 引言31
• 3.2 四旋翼飞行器飞行原理31-32
• 3.3 旋转矩阵的建立32-35
• 3.4 四旋翼飞行器动力学模型35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 四旋翼飞行器控制器设计38-47
• 4.1 引言38
• 4.2 基于PID算法的控制器38-43
• 4.2.1 PID控制理论基础38-39
• 4.2.2 PID控制器结构39-40
• 4.2.3 位置PID回路40-41
• 4.2.4 姿态PID回路41-43
• 4.3 基于无模型控制算法的控制器43-46
• 4.3.1 无模型控制理论简介43
• 4.3.2 无模型控制器的设计43-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 飞行控制器软件设计与飞行实验47-55
• 5.1 引言47
• 5.2 飞行控制器软件设计47-49
• 5.2.1 开发环境47
• 5.2.2 飞行控制软件流程47-48
• 5.2.3 上位机软件48-49
• 5.3 悬停飞行试验及结果分析49-53
• 5.3.1 俯仰稳定性能50-51
• 5.3.2 滚转稳定性能51-52
• 5.3.3 高度稳定性能52-53
• 5.3.4 抗扰动性能53
• 5.4 四旋翼飞行器试飞53-54
• 5.5 本章小结54-55
• 第6章 总结与展望55-57
• 6.1 研究成果总结55
• 6.2 研究前景展望55-57
• 参考文献57-60
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况60-61
• 致谢61

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 李秀英;刘彦博;;基于PWM的四旋翼飞行器控制方法[J];吉林大学学报(信息科学版);2011年05期

2 聂博文;马宏绪;王剑;王建文;;微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J];电光与控制;2007年06期

3 徐梓皓;周召发;孙立江;;基于卡尔曼滤波器的姿态角测量系统设计[J];电子测量技术;2014年01期

4 蒋爱平,李秀英,韩志刚;从PID到无模型控制器[J];控制工程;2005年03期

5 韩志刚;无模型控制方法在化肥生产中的应用[J];控制理论与应用;2004年06期

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本文编号：259504