基于微惯性组合的旋翼飞行器姿态检测及控制算法研究

发布时间：2017-08-01 03:04

  本文关键词：基于微惯性组合的旋翼飞行器姿态检测及控制算法研究

  更多相关文章： 四轴飞行器 低成本 MEMS 姿态解算 控制算法

【摘要】：旋翼飞行器包含了机械结构清晰、便捷的操控性能、能够垂直起落、独立飞行以及自主降落等几大特性,使之大规模的出现在了军事范畴以及商贸范畴。本课题针对于旋翼飞行器在姿态控制模块中存在着的对振动因子的抗干扰能力弱、稳定性差以及低成本范畴使用率低等问题,研究开发出一套革新的基于低成本惯性测量单元的旋翼飞行器姿态检测及飞行控制体系。课题研究内容主要包含了采用低成本MEMS惯性传感器实时检测飞行器的状态,首先对低成本MEMS惯性传感器做快速误差标定分析,利用改进型卡尔曼滤波的多个数据源信息融合技术以及基于遗传算法的PID控制方案的姿态检测控制器解算出无人机的姿态信息,最后经由飞行器驱动直流无刷电机的反馈实现理想飞行效果。本课题所研究的这套算法应用于飞行控制系统中的姿态解算与姿态控制模块当中。姿态解算单元是对被测载体的姿态和方位数据完成处理,姿态控制单元是调整输入量来变更无人机的运动方向以及姿态。同国内外的现有科研成果做比对,本文的主要研究成果体现在:首先针对低成本MEMS-IMU模块,开发了快速标定算法。经由实验数据得到,低成本惯性测量单元的零偏时变特性不突出,所以就系统固定零偏实施现场快速标定;其次本系统在姿态解算单元中提出了一种创新的微惯性单元信息整合的改进型卡尔曼滤波姿态确定算法,经由实验验证能够得出,优化后的算法能提升滤波的效率,得到更具可靠性的载体姿态数据值。最后本系统在控制算法单元中提出了一种基于遗传算法的PID整定控制器的控制策略。通过改进型卡尔曼滤波算法对组合惯性单元检测到的数据完成整合处理,得到多旋翼无人机在飞行状态中的真实数值;经由这些准确度高的数值,构建控制器的动力学的模型,求出控制器的传递函数;之后,运用遗传算法对控制器PID参数进行最优解寻找,获取最佳的PID控制权重值。
【关键词】：四轴飞行器 低成本 MEMS 姿态解算 控制算法
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 课题的研究背景和意义11-13
• 1.1.1 课题研究背景11-12
• 1.1.2 课题研究内容与意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 微惯性测量单元的发展及现状14-15
• 1.2.2 姿态估计算法的现状及趋势15-16
• 1.2.3 控制算法的研究现状及趋势16-18
• 1.3 论文结构18-20
• 第二章 理论基础介绍20-30
• 2.1 MEMS传感器技术20-22
• 2.1.1 微机械陀螺仪20-21
• 2.1.2 微机械加速度计21-22
• 2.2 卡尔曼滤波22-24
• 2.2.1 滤波方程22-23
• 2.2.2 连续系统的离散化及推导23-24
• 2.3 SINS原理24-27
• 2.3.1 坐标系定义及变换25-26
• 2.3.2 四元数与姿态更新26-27
• 2.4 PID控制27-29
• 2.4.1 PID控制算法28
• 2.4.2 数字PID控制器28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 旋翼飞行器模型建立及分析30-45
• 3.1 旋翼无人机飞行原理及建模30-34
• 3.1.1 四旋翼无人机飞行原理30-32
• 3.1.2 四旋翼飞行器受力分析及运动模型32-34
• 3.2 微惯导器件误差研究以及建模34-44
• 3.2.1 加速度计误差模型34-36
• 3.2.2 加速度计标定算法的构造36-39
• 3.2.3 陀螺仪误差模型39-41
• 3.2.4 陀螺仪标定算法的构造41-44
• 3.3 本章小结44-45
• 第四章 姿态解算算法设计及实现45-55
• 4.1 整体实现方法45
• 4.2 姿态角估计45-47
• 4.2.1 陀螺仪姿态更新算法45-46
• 4.2.2 加速度和磁力计定姿算法46-47
• 4.3 改进型卡尔曼滤波的数据源整合47-50
• 4.4 定姿的仿真分析50-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 姿态控制算法设计及实现55-65
• 5.1 整体实现方法55-56
• 5.2 基于简化模型的串级PID控制算法56-58
• 5.3 基于遗传算法PID设计58-61
• 5.4 控制器仿真分析61-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第六章 系统方案与硬件设计实现65-78
• 6.1 系统设计目标65
• 6.2 硬件设计及成本控制65-68
• 6.3 软件流程设计及实现68-70
• 6.4 系统实验70-77
• 6.4.1 实验平台概述70-73
• 6.4.2 实验方案设计73-76
• 6.4.3 实验结果与分析76-77
• 6.5 本章小结77-78
• 第七章 总结及展望78-80
• 7.1 全文总结78-79
• 7.2 工作展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-85

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;未来10年将生产5448架军用旋翼机[J];航空维修与工程;2005年01期

2 陆洋;李建波;朱清华;;自转旋翼机配平及操纵响应特性[J];南京航空航天大学学报;2008年05期

3 道格拉斯·罗伊斯;赵;;民用旋翼机市场前景不容乐观[J];国际航空;2010年03期

4 徐慧;张伯虎;董文柱;石婷;;多功能无人旋翼机在公共安全方面的应用[J];现代电子技术;2011年20期

5 冯磊;佟勇;宋秀峰;;旋翼飞行器概述[J];科技创新导报;2012年29期

6 金德余;;航宇18-A型旋翼机[J];直升机技术;1994年03期

7 蔡汝鸿;;潜水艇载风筝式旋翼机[J];直升机技术;1994年04期

8 申斌;吴一波;林冬生;;旋翼机的发展与应用[J];科技传播;2013年23期

9 蔡汝鸿;;卡特旋翼机(三)——精彩纷呈的卡特旋翼机[J];航空知识;2005年06期

10 李长江;;新颖奇特的旋翼机[J];航空知识;1999年04期

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 唐正飞;;旋翼飞行器及其系统发展研究[A];航空科学技术学科发展报告（2010-2011）[C];2011年

2 章洪;;新概念“直升旋翼机”[A];第六届中国科学家论坛论文汇编[C];2007年

3 ;旋翼无人机参赛报告[A];2004中国空中机器人大赛论文汇编[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 张广林 张慧;世界旋翼机市场预测及产业发展的经验和启示[N];中国航空报;2008年

2 李昊;美陆军将启动高速旋翼机研制项目[N];中国航空报;2011年

3 本报记者 胡海波;自转旋翼机：会飞的“风车”[N];中国民航报;2011年

4 高翔;美陆军基于亚太战略评估其旋翼机计划[N];中国航空报;2012年

5 黎时;1923：旋翼机问世[N];中国航空报;2003年

6 姜曙光;未来十年生产5448架军用旋翼机[N];中国航空报;2004年

7 姜曙光;蒂尔预测未来十年旋翼机市场[N];中国航空报;2004年

8 王兰;轻型军用旋翼机市场将步入紧缩期[N];中国航空报;2011年

9 记者 刘军国;日本 美将如期部署“鱼鹰”旋翼机[N];人民日报;2012年

10 李昊;美国开展下一代高速旋翼机技术预研项目[N];中国航空报;2014年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王超;电控旋翼直升机气动特性研究[D];南京航空航天大学;2014年

2 朱清华;自转旋翼飞行器总体设计关键技术研究[D];南京航空航天大学;2007年

3 陈淼;自转式无人旋翼机飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

4 魏鹏;旋翼非定常流场的黏性涡数值模拟方法及其混合方法的研究[D];南京航空航天大学;2012年

5 肖中云;旋翼流场数值模拟方法研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2007年

6 彭程;共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究[D];吉林大学;2015年

7 邓寅U，

本文编号：602224