新型多旋翼飞行器控制系统设计与实现

发布时间：2017-04-05 03:13

  本文关键词：新型多旋翼飞行器控制系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多旋翼飞行器由于其结构简单,机动灵活,能够实现悬停、垂直起降等特点,随着自动控制理论的深入研究,以及微型传感器的广泛应用,近年来多旋翼飞行器受到广泛的关注。目前多旋翼飞行器已经应用在了影视航拍、飞行表演、农药喷洒以及环境监测等任务中,同时对飞行器的载重要求也越来越高,使其能够搭载更多的设备。然而目前增加载重能力的方法主要是增大轴距以及旋翼尺寸,但带来的问题就是不方便携带尤其是在远距离运输时,且大旋翼在高转速下非常危险容易造成人员伤亡。为了解决这一问题,本文设计了一种新型样机,在不增加轴距的情况下增加旋翼的载重能力,运用不同控制方法对飞行器模型进行仿真分析,并在样机上进行编程实现。本文在四旋翼飞行器的基础上重新设计了一种五轴样机,其特点是在四轴飞行器的腹部增加第五旋翼,建立样机的三维模型,并采用碳纤维板对样机的机架进行加工,选取相应模块搭建样机平台。分析并建立了改进后的该样机的动力学模型,并通过实验确定了模型的相关参数,包括升力系数、扭矩系数、比例系数等,并搭建了飞行器的Matlab仿真平台。根据样机的动力学模型,分别设计了PD以及反步法控制器,并使用Matlab工具包进行了仿真实验,结果表明PD控制方法调节平稳且没有超调量,而反步法响应速度快,但存在着一定的超调量。编写了飞行器的控制程序并在样机上进行了实验验证,同时测量了飞行器的升力,实验结果表明在飞行器腹部增加旋翼能够提高21.3%的升力。
【关键词】：多旋翼 PID 反步法 Matlab仿真 轨迹跟踪
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义8-10
• 1.1.1 多旋翼飞行器的研究背景8-10
• 1.1.2 研究的目的和意义10
• 1.2 多旋翼飞行器国内外研究现状10-16
• 1.2.1 国外研究现状10-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 多旋翼飞行器动力学系统建模17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 多旋翼飞行器姿态表示17-24
• 2.2.1 欧拉角法19-23
• 2.2.2 姿态参考四元数法23-24
• 2.3 多旋翼飞行器动力学建模24-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 多旋翼飞行器参数测定及仿真平台的搭建28-36
• 3.1 引言28
• 3.2 多旋翼飞行器参数测定28-31
• 3.3 利用状态方程求解传递函数31-34
• 3.4 搭建控制系统仿真平台34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 基于PID控制方法的控制效果分析36-42
• 4.1 引言36
• 4.2 PID控制方法的原理36-37
• 4.3 基于PD方法的控制效果分析37-41
• 4.4 本章小结41-42
• 第5章 基于Backstepping控制器的控制效果分析42-52
• 5.1 引言42
• 5.2 反步法原理42-45
• 5.3 基于反步法的飞行控制系统设计45-49
• 5.3.1 多旋翼系统模型的状态空间描述45-46
• 5.3.2 基于反步法的姿态环控制46-48
• 5.3.3 基于反步法的位置环控制48-49
• 5.4 基于反步法控制效果分析49-51
• 5.5 本章小结51-52
• 第6章 多旋翼控制系统的测试与分析52-59
• 6.1 引言52
• 6.2 搭建硬件平台52-57
• 6.3 多旋翼飞行器飞行调试57-58
• 6.4 本章总结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间的研究成果64-66
• 致谢66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 杨明志;王敏;;四旋翼微型飞行器控制系统设计[J];计算机测量与控制;2008年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 王树刚;四旋翼直升机控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2006年

2 姚元鹏;四旋翼直升机控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

3 国倩倩;微型四旋翼飞行器控制系统设计及控制方法研究[D];吉林大学;2013年

4 黄依新;四旋翼飞行器姿态控制方法研究[D];西南交通大学;2014年

  本文关键词：新型多旋翼飞行器控制系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：286379