四旋翼无人飞行器动力学建模及控制技术的研究

发布时间：2017-08-12 11:25

  本文关键词：四旋翼无人飞行器动力学建模及控制技术的研究

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【摘要】：四旋翼无人飞行器是一种外型新颖、性能卓越的旋翼飞行器,具有巨大的军事和民用价值,引起了众多国内外科研人员的广泛关注。而四旋翼无人飞行器本身非线性、强耦合性以及对外界干扰敏感的特点,使得飞行器控制系统的设计具有很大难度。本文围绕四旋翼无人飞行器的动力学建模、控制方案设计和软硬件系统设计等方面开展了一系列研究工作。首先,在分析飞行器的构型以及飞行原理的基础上,对旋翼以及整个机体的空气动力和动力矩进行具体分析,详细推导并建立出较为完整的飞行器六自由度非线性数学模型,论证了飞行器运动的非线性、强耦合性特点。同时针对飞行器的小角度运动简化动力学模型,并通过实验测试和建立三维模型的方法得到模型中的未知参数,为下一步控制方案设计奠定基础。然后,基于建立的动力学模型和经典PID控制算法,设计飞行器的控制方案。由于飞行器模型中线运动受到角运动的影响,分别设计位置控制回路和姿态控制回路,有效解决了运动耦合问题。最后,在飞行控制方案的基础上,采用模块化设计思想将飞行器的软硬件系统划分为各个功能子模块,结合传感器的不同特性设计互补融合滤波算法解算出高精度姿态角。在飞行实验中,飞行器分别完成了轨迹跟踪和稳定悬停的自主飞行任务,验证了本文的动力学模型和控制方案的有效性。
【关键词】：四旋翼无人飞行器 动力学模型 PID控制算法 互补融合滤波算法
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 课题的研究背景和意义8-9
• 1.2 历史回顾及国内外研究现状9-15
• 1.3 关键技术分析15-16
• 1.4 本文的主要工作和结构安排16-17
• 2 四旋翼无人飞行器的动力学模型17-31
• 2.1 引言17
• 2.2 飞行器的结构和基本运动形式17-21
• 2.2.1 飞行器结构17-18
• 2.2.2 基本运动形式18-21
• 2.3 坐标系与坐标变换21-23
• 2.3.1 坐标系建立21-22
• 2.3.2 坐标变换22-23
• 2.4 四旋翼无人飞行器动力学模型的建立23-30
• 2.4.1 空气动力与力矩23-26
• 2.4.2 动力学模型建立26-28
• 2.4.3 模型的简化28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 动力学模型的参数测定及控制方案设计31-41
• 3.1 引言31
• 3.2 动力学模型参数测定31-36
• 3.2.1 转子绕转动轴的转动惯量31
• 3.2.2 飞行器的转动惯量矩阵31-32
• 3.2.3 旋翼升力总系数测定32-34
• 3.2.4 旋翼扭矩总系数测定34-36
• 3.3 四旋翼无人飞行器的控制方案设计36-40
• 3.3.1 PID控制36-38
• 3.3.2 控制方案设计分析38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 4 四旋翼无人飞行器硬件平台搭建41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 系统硬件总体设计41-42
• 4.3 微控制器模块42
• 4.4 航姿传感器模块42-45
• 4.4.1 航姿传感器的必要性分析42-43
• 4.4.2 陀螺仪和加速度计43-45
• 4.4.3 电子罗盘45
• 4.5 全球定位模块45-48
• 4.5.1 GPS定位模块45-47
• 4.5.2 气压传感器47-48
• 4.6 电机控制模块48-50
• 4.6.1 无刷直流电机48
• 4.6.2 电子调速器48-49
• 4.6.3 螺旋桨49-50
• 4.7 地面遥控监测模块50-53
• 4.7.1 遥控器和接收机50-51
• 4.7.2 无线通信模块51-53
• 4.8 本章小结53-54
• 5 四旋翼无人飞行器软件设计及实验54-76
• 5.1 系统软件总体设计54-56
• 5.2 姿态融合算法56-66
• 5.2.1 航姿传感器数据预处理56-58
• 5.2.2 互补融合滤波算法58-66
• 5.3 GPS和气压传感器数据处理66-70
• 5.3.1 GPS数据解析66-67
• 5.3.2 气压传感器数据处理67-70
• 5.4 地面站通信设计70-72
• 5.4.1 遥控信号处理70-71
• 5.4.2 无线通信与上位机71-72
• 5.5 室外飞行实验72-75
• 5.6 本章小结75-76
• 6 总结与展望76-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-81

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文编号：661373