基于Backstepping的多旋翼无人机自主飞行控制系统研究

发布时间：2017-04-05 00:05

  本文关键词：基于Backstepping的多旋翼无人机自主飞行控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微小型多旋翼无人机具有机械结构简单、机动性强、可垂直起降、无人员伤亡危险等优点。可广泛应用于气象勘测、航空摄影、灾后救援、智能交通、精细农业等领域。本文以设计一架用于气象勘测的微小型多旋翼无人机为目的,研究了无人机整体方案设计及其动力学建模与自主飞行控制系统设计。 首先,针对应用于气象勘测的多旋翼无人机的具体设计要求,确定了多旋翼无人机的机体、嵌入式系统和飞行控制系统的整体设计方案。其中,机体设计主要从机体尺寸、负载能力、续航能力、可维护性几个角度进行了分析：嵌入式系统设计主要讨论了硬件选型和软件系统程序流程的设计。飞行控制系统方案主要确定各种飞行模式的实现方案和自主飞行控制系统回路划分。 随后,对微小型四旋翼无人机进行数学建模和控制系统的设计。建模部分根据飞行原理和刚体的空间运动方程,并结合具体的无人机对象,建立了四旋翼无人机的非线性动力学模型。自主飞行控制系统的设计被分为X方向位置、Y方向位置、高度、偏航角四个控制回路。并根据系统非线性特点和系统鲁棒性的控制要求,设计了反步法(Backstepping)和模型参考滑模控制器(Model Reference Sliding Mode Control, MRSMC).最后,为了验证控制系统的性能,对设计的控制器分别进行了室外飞行实验。实验结果表明,本文设计的控制器取得了良好的控制效果,完成了室外的自主飞行实验,符合气象勘测应用无人机的设计的基本要求,从而验证了本文机体设计和控制系统设计的可行性。
【关键词】：四旋翼无人机 机体设计 自主飞行控制系统 反步法 模型参考滑模控制
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 目录3-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-7
• 第一章 绪论7-12
• 1.1 项目研究背景与意义7-8
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势8-10
• 1.3 本文研究内容和组织结构10-12
• 第二章 多旋翼无人机整体方案设计12-29
• 2.1 需求分析12-13
• 2.2 机体设计13-18
• 2.2.1 悬浮条件及电机选型13-14
• 2.2.2 悬臂的标准化设计14-15
• 2.2.3 电池选型15
• 2.2.4 机体和旋翼尺寸设计15-17
• 2.2.5 机体具体实现17-18
• 2.3 嵌入式系统设计18-24
• 2.3.1 硬件选型18-22
• 2.3.2 软件流程设计22-24
• 2.4 飞行控制系统方案设计24-28
• 2.4.1 飞行原理24-25
• 2.4.2 控制系统结构分析25-27
• 2.4.3 自主飞行实现方案27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 四旋翼无人机建模29-41
• 3.1 受力分析与动力学方程29-33
• 3.1.1 线运动分析29-30
• 3.1.2 姿态运动分析30-33
• 3.2 模型简化与系统辨识33-40
• 3.2.1 水平方向位置模型34-37
• 3.2.2 高度模型37-39
• 3.2.3 偏航模型39-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第四章 控制系统设计41-56
• 4.1 增稳控制41-42
• 4.2 基于Backstepping的水平方向位置控制42-49
• 4.2.1 姿态控制子系统设计42-46
• 4.2.2 速度控制子系统设计46-49
• 4.2.3 位置控制器的设计49
• 4.3 基于MRSMC的高度控制49-54
• 4.3.1 参考模型设计50-52
• 4.3.2 SMC控制回路设计52-54
• 4.4 基于MRSMC航向控制54-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 实验结果及分析56-63
• 5.1 地面站系统56
• 5.2 增稳控制实验56-58
• 5.3 姿态控制58-59
• 5.4 偏航控制59
• 5.5 高度控制实验59-60
• 5.6 速度控制实验60-61
• 5.7 基于GPS的自主飞行实验61-62
• 5.8 本章小结62-63
• 第六章 总结和展望63-65
• 6.1 总结63
• 6.2 展望63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-71
• 作者简介71

【参考文献】

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本文编号：286121