基于自抗扰的四旋翼飞行器控制系统设计与实现

发布时间：2023-08-11 17:20

　　四旋翼飞行器结构简单、机动性强、生产成本低,近年来在军事和民用领域备受青睐。控制算法的选择以及控制系统的设计是四旋翼飞行器顺利完成任务的关键。本文基于自抗扰控制技术(ADRC),完成串级ADRC的悬停控制仿真、姿态控制以及高度控制应用研究,并自主搭建四旋翼飞行器平台,验证所研究算法的适用性。本文主要包含以下几个方面:1、四旋翼飞行器非线性数学模型的建立。利用刚体动力学分析方法对四旋翼飞行器进行建模,并在MATLAB/Simulink环境下构建四旋翼飞行器控制系统仿真平台。针对四旋翼飞行器系统的非线性、欠驱动、强耦合、不确定性的特点,设计串级ADRC控制器进行悬停控制仿真,位置外环采用线性自抗扰,姿态内环则采用非线性自抗扰。2、四旋翼飞行器的平台搭建,从最基本的动力机构选配到飞控板的设计,再到基于惯导与磁力计融合的姿态解算以及惯导融合算法研究,为后续控制器的应用奠定基础。考虑实际传感器中的较多高频噪声,设计二阶巴特沃斯数字低通滤波器进行处理。在姿态解算方面,设计扩展Kalman滤波算法得到飞行器实时姿态状态;在惯导融合方面,鉴于位置传感器(气压计/GPS)的滞后性,设计带延时修正的Kal...

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景和意义
    1.2 四旋翼飞行器研究现状
    1.3 四旋翼飞行器控制算法现状
        1.3.1 控制算法综述
        1.3.2 自抗扰控制技术发展
    1.4 论文内容与目标
2 基于自抗扰的飞行器悬停控制
    2.1 四旋翼飞行器机体结构
    2.2 飞行原理
    2.3 四旋翼飞行器数学建模
        2.3.1 旋翼动力学
        2.3.2 前飞侧翻效应与旋翼陀螺效应
        2.3.3 大地坐标系与机体坐标系
        2.3.4 四旋翼飞行器数学模型
    2.4 自抗扰控制原理
        2.4.1 自抗扰控制技术思想
        2.4.2 跟踪微分器(TD)
        2.4.3 扩张状态观测器(ESO)
        2.4.4 非线性误差反馈控制律
    2.5 基于串级自抗扰的悬停仿真
        2.5.1 内环(姿态环)的ADRC控制器设计
        2.5.2 内环自抗扰控制的离散化
        2.5.3 外环(位置环)的ADRC控制器设计
        2.5.4 外环位置自抗扰控制的离散化
        2.5.5 仿真分析与验证
    2.6 小结
3 四旋翼飞行器硬件选型与布局设计
    3.1 飞控系统整体硬件布局
    3.2 硬件选型
        3.2.1 主控处理器
        3.2.2 姿态测量传感器选型
        3.2.3 位置测量传感器
        3.2.4 执行机构选型
        3.2.5 无线通信模块选型
        3.2.6 飞控系统PCB板设计图
    3.3 小结
4 基于组合传感器的姿态解算与惯导融合
    4.1 传感器偏差校正
        4.1.1 陀螺仪零偏修正
        4.1.2 加速度计偏差校正
        4.1.3 磁力计偏心校正
    4.2 数据滤波
    4.3 姿态解算
        4.3.1 扩展卡尔曼滤波
        4.3.2 基于扩展Kalman滤波的姿态解算
    4.4 惯导融合
    4.5 小结
5 基于自抗扰技术的飞行器控制器设计与实现
    5.1 自抗扰控制器设计与实现
        5.1.1 嵌入式软件设计
        5.1.2 串级自抗扰控制器的调试
    5.2 控制性能测试
        5.2.1 姿态控制测试
        5.2.2 定点悬停测试
    5.3 抗扰性能测试
        5.3.1 抗扰姿态控制测试
        5.3.2 悬停抗扰测试
    5.4 小结
结论
    1.工作总结
    2.进一步的工作和研究展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果



本文编号：3841446