發(fā)布時間：2017-10-17 11:21

  本文關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器姿態(tài)控制算法研究

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【摘要】：無人機(jī)主要分為固定翼和旋翼兩種類型,其中四旋翼無人機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。飛行器的姿態(tài)控制算法是保證飛行器穩(wěn)定飛行的核心,因此研究飛行器姿態(tài)控制算法具有十分重要的意義。本文首先對飛行器的姿態(tài)解算方法和MEMS傳感器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析與研究,然后利用牛頓-歐拉公式建立了四旋翼動力學(xué)模型。在動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用PID算法設(shè)計了位置控制器和姿態(tài)控制器,并在MATLAB中對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真驗證,仿真結(jié)果表明PID控制算法可以保證飛行器穩(wěn)定飛行。系統(tǒng)仿真時的姿態(tài)反饋信息由飛行器動力學(xué)模型解算得到,而實(shí)際飛行器系統(tǒng)的姿態(tài)反饋信息由陀螺儀、磁力計及加速度計的數(shù)據(jù)結(jié)合姿態(tài)估計算法得到。本文首先研究了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法和無跡濾波算法的姿態(tài)估計算法,針對上述兩種算法計算量大且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的問題,本文設(shè)計了一種基于改進(jìn)型互補(bǔ)濾波算法的姿態(tài)估計算法。在MATLAB中分別對三種算法的估計精度進(jìn)行了仿真驗證,仿真結(jié)果表明三種姿態(tài)估計算法的姿態(tài)角度估計精度均較高,但本文設(shè)計的基于改進(jìn)型互補(bǔ)濾波算法的姿態(tài)估計算法減小了系統(tǒng)計算量并降低了實(shí)現(xiàn)難度,更加適合低成本處理器系統(tǒng)。基于上述設(shè)計的控制器與姿態(tài)估計算法,本文采用STM32F427處理器進(jìn)行了飛行器系統(tǒng)設(shè)計,并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了懸停與飛行運(yùn)動實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明本文設(shè)計的控制系統(tǒng)和姿態(tài)估計算法能保證飛行器穩(wěn)定飛行。在飛行器平臺基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了一套用于檢測大氣PM2.5/10濃度的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)利用四旋翼飛行器搭載PM2.5/10激光散射儀測量大氣PM2.5/10濃度,并利用QT開發(fā)的上位機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與保存。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼無人機(jī) 動力學(xué)模型 MEMS傳感器 姿態(tài)估計 PM2.5/10檢測
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 緒論8-15
• 1.1 課題研究背景及意義8-9
• 1.2 四旋翼飛行器研究現(xiàn)狀與分析9-14
• 1.2.1 國內(nèi)外相關(guān)工作研究進(jìn)展9-12
• 1.2.2 四旋翼控制技術(shù)研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容14-15
• 第2章 姿態(tài)解算及MEMS傳感器分析15-23
• 2.1 引言15
• 2.2 常用坐標(biāo)系及四旋翼姿態(tài)求解方法15-18
• 2.2.1 常用坐標(biāo)系定義15-16
• 2.2.2 四旋翼姿態(tài)求解方法16-18
• 2.3 陀螺儀分析18-20
• 2.4 加速度計分析20-21
• 2.5 磁力計分析21-22
• 2.6 本章小結(jié)22-23
• 第3章 四旋翼控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真23-36
• 3.1 引言23
• 3.2 四旋翼非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模23-29
• 3.2.1 動力系統(tǒng)模型23-25
• 3.2.2 系統(tǒng)控制分配模型25
• 3.2.3 動力學(xué)方程25-28
• 3.2.4 運(yùn)動學(xué)方程28-29
• 3.3 控制系統(tǒng)雙閉環(huán)設(shè)計29-31
• 3.3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計29-30
• 3.3.2 控制算法設(shè)計30-31
• 3.4 MATLAB仿真結(jié)果及分析31-35
• 3.4.1 仿真平臺搭建31-32
• 3.4.2 仿真參數(shù)設(shè)定32-33
• 3.4.3 仿真結(jié)果及分析33-35
• 3.5 本章小結(jié)35-36
• 第4章 四旋翼姿態(tài)估計算法研究與仿真36-55
• 4.1 引言36
• 4.2 基于EKF的姿態(tài)估計算法設(shè)計36-39
• 4.2.1 EKF算法原理36-37
• 4.2.2 基于EKF姿態(tài)估計實(shí)現(xiàn)37-39
• 4.3 基于UKF的姿態(tài)估計算法設(shè)計39-41
• 4.3.1 UKF算法原理39-41
• 4.3.2 基于UKF姿態(tài)估計實(shí)現(xiàn)41
• 4.4 基于改進(jìn)型互補(bǔ)濾波算法的姿態(tài)估計算法設(shè)計41-46
• 4.4.1 利用梯度下降法求解姿態(tài)角度41-43
• 4.4.2 磁場畸變補(bǔ)償43-44
• 4.4.3 陀螺儀零漂補(bǔ)償44
• 4.4.4 姿態(tài)估計算法設(shè)計44-46
• 4.5 MATLAB仿真結(jié)果對比與分析46-54
• 4.5.1 軌跡發(fā)生器生成傳感器數(shù)據(jù)46-47
• 4.5.2 MATLAB仿真結(jié)果及分析47-54
• 4.6 本章小結(jié)54-55
• 第5章 飛行器軟硬件系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)驗分析55-66
• 5.1 引言55
• 5.2 飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計55-57
• 5.3 飛行器軟件系統(tǒng)設(shè)計57-61
• 5.4 實(shí)驗結(jié)果與分析61-64
• 5.5 飛行器系統(tǒng)應(yīng)用64-65
• 5.6 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果71-73
• 致謝73

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 宋亞平;淺談旋翼的防腐維護(hù)[J];航空維修與工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文編號：1048540