四旋翼飞行器控制算法的研究

发布时间：2017-05-27 11:20

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【摘要】：四旋翼飞行器是通过四个螺旋桨为其提供驱动力，并可实现垂直方向上的起降。它的结构较为简单、并且体积小，操作也较容易，它的应用前景也非常广阔。并且小型四旋翼飞行器能够出入空间较小甚至人类所不能及的地方，因此具有较为重要的军用价值和民用价值。欠驱动、耦合性强、非线性及多变量是四旋翼飞行器所具备的几种特性，正是这些特性，才使四旋翼飞行器具有研究的价值。 本文主要是基于四旋翼飞行器当前的研究及应用，分析其在实际应用中所存在的问题，探究影响飞行器飞行准确性的因素。此外，对于飞行器的研究内容涉及到了计算机、电子、通信等多个学科，具有相当大的研究价值。 本文主要研究PID算法和Backstepping算法对于飞行器的控制，并基于这两种算法的特点提出了相应的改进方法，使控制效果更加准确。本文的主要工作及创新点如下： （1）基于PID算法设计飞控系统并仿真，分析各个参数对于飞控系统的影响，提出了一种基于PID的改进算法：基于模糊协调决策法的思想，对PID算法的参数设置权值；并采用积分分离的思想避免积分环节对控制产生的不良影响，，同时增加低通滤波器避免输入信号的噪声对于微分环节的影响，改进后的算法通过MATLAB/Simulink平台进行试验，通过仿真图可以看出经过改进后的PID算法在控制效果上更加准确。 （2）基于Backstepping算法对飞控系统设计，并进行仿真实验。由于Backstepping算法中的参数对于系统的影响不明确，因此人工拼凑参数可能会影响系统的控制效果，因此提出了一种基于粒子群算法对参数优化的方法，利用改进后的算法再次对系统仿真，通过仿真图可以看出经过优化后的系统在控制精度、调节时间上都明显优于仿真前的算法。
【关键词】：四旋翼飞行器 PID控制算法 Backstepping控制算法 MATLBA/Simulink 粒子群算法
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.122
【目录】：

• 目录4-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 四旋翼飞行器研究背景8
• 1.2 四旋翼飞行器发展研究现状8-11
• 1.2.1 国外研究成果9-11
• 1.2.2 国内研究成果11
• 1.3 四旋翼飞行器的关键技术11-14
• 第二章 飞行器数学模型的建立14-28
• 2.1 建模方法及步骤14-15
• 2.2 飞行器飞行状态分析15-18
• 2.3 飞行器非线性模型的建立18-26
• 2.3.1 四旋翼飞行器模型假设18-19
• 2.3.2 飞行器姿态的表示19-20
• 2.3.3 系统模型的建立20-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第三章 基于 PID 的四旋翼控制算法28-42
• 3.1 经典 PID 控制理论28-29
• 3.2 PID 控制系统设计29-32
• 3.2.1 飞行控制架构29-30
• 3.2.2 飞行算法设计30-32
• 3.3 控制仿真与结果分析32-34
• 3.3.1 MATLAB/Simulink 仿真模块32-33
• 3.3.2 仿真与结果分析33-34
• 3.4 基于 PID 算法的改进34-40
• 3.4.1 算法改进目的34
• 3.4.2 模糊协调决策法34-35
• 3.4.3 积分分离 PID 算法35-36
• 3.4.4 算法改进思想36
• 3.4.5 算法改进的流程36-38
• 3.4.6 改进算法实验仿真与结果分析38-40
• 3.5 改进前后算法比较与分析40-41
• 3.5.1 改进前后算法的比较40
• 3.5.2 改进前后结果比较与分析40-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 基于 Backstepping 的四旋翼飞行器控制算法42-58
• 4.1 李雅普诺夫稳定性42-44
• 4.2 严格反馈系统44
• 4.3 BACKSTEPPING 算法过程44-47
• 4.4 基于 BACKSTEPPING 的飞控系统设计47-50
• 4.5 实验仿真与结果分析50-51
• 4.6 基于粒子群算法对于 BACKSTEPPING 算法的改进51-54
• 4.6.1 研究目的51
• 4.6.2 粒子群算法51-52
• 4.6.3 基于粒子群算法优化 Backstepping 算法参数过程52-54
• 4.6.4 实验仿真与分析54
• 4.7 改进前后算法的比较与分析54-55
• 4.7.1 改进前后算法的比较54
• 4.7.2 改进前后结果比较与分析54-55
• 4.8 本章小结55-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 5.1 论文总结58
• 5.2 工作展望58-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士期间发表的论文64-66
• 致谢66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 李俊;李运堂;;四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2012年01期

2 杨庆华;宋召青;时磊;;四旋翼飞行器建模、控制与仿真[J];海军航空工程学院学报;2009年05期

3 李洪兴,苗志宏,王加银;非线性系统的变论域稳定自适应模糊控制[J];中国科学E辑:技术科学;2002年02期

4 辛丰强;陈阳舟;盖彦荣;;改进的Backstepping在移动机器人轨迹跟踪中的应用[J];计算机测量与控制;2012年04期

5 历风满;数字PID控制算法的研究[J];辽宁大学学报(自然科学版);2005年04期

6 吕国强;郑德峰;;四旋翼飞行器控制系统设计[J];价值工程;2014年20期

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本文编号：399802