本文關(guān)鍵詞：基于Y型結(jié)構(gòu)的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與姿態(tài)控制的研究

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【摘要】：旋翼飛行器是一種以電能為能源供應(yīng)的、具有自主平衡性的、可以人機(jī)交互或自主飛行的飛行器。本文以一種新型基于Y型結(jié)構(gòu)的四旋翼飛行器(four-rotor aircraft based on the structure of“Y”,后簡(jiǎn)稱YFRA)為研究對(duì)象,整體結(jié)構(gòu)形式既采用了共軸式直升飛機(jī)的類似結(jié)構(gòu),又吸取了多旋翼飛行器的多旋翼平衡布局形式,具有簡(jiǎn)單平衡的結(jié)構(gòu)特性,并且搭建了相對(duì)應(yīng)的電氣系統(tǒng);接下來以Y型四旋翼飛行器(YFRA)為研究目標(biāo)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立,構(gòu)建了相應(yīng)的控制器,完成了仿真與物理實(shí)驗(yàn)。本文研究設(shè)計(jì)了Y型四旋翼飛行器的物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,在整體動(dòng)力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上,對(duì)其姿態(tài)控制方法進(jìn)行了研究,并完成物理實(shí)驗(yàn),通過一系列的研究取得了以下主要研究成果:第一、Y型四旋翼飛行器的物理系統(tǒng)的建立本文設(shè)計(jì)了YFRA的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng),該種飛行器在原有的四旋翼飛行器基礎(chǔ)上使空間分配更加合理化;在同樣大小的電機(jī)螺旋槳下選用的機(jī)架可以比傳統(tǒng)四旋翼的材質(zhì)用的更少,將Y型連接起來構(gòu)成的三角形的空間占有大小比傳統(tǒng)四旋翼更小,Y型四旋翼飛行器可以通過尾槳確定飛行器的方向,并且三角形更具有穩(wěn)定性。本文在第二章通過Solid Works軟件制作YFRA的機(jī)械結(jié)構(gòu),接下來基于Arduino環(huán)境下的C/C++語言將控制方法導(dǎo)入基于mega256核心處理器的核心板完成實(shí)物制作,并且最后完成懸停和俯仰運(yùn)動(dòng)的飛行任務(wù),獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,證明了物理系統(tǒng)與控制方法的有效性。第二、Y型四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模與分析本文基于此種飛行器的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立,在合理的模型假設(shè)下,采用拉格朗日方法建立了YFRA的動(dòng)力學(xué)模型,并通過歐拉模型驗(yàn)證模型的正確性與有效性,最后根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析了YFRA系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。第三、基于微分串級(jí)PID方法的Y型四旋翼飛行器高度與姿態(tài)的控制研究本文將YFRA的姿態(tài)平衡控制問題分為姿態(tài)平衡控制和高度平衡控制。微分串級(jí)PID控制器的設(shè)計(jì)思想是根據(jù)YFRA的動(dòng)力學(xué)特性以及被控對(duì)象在不同狀態(tài)下響應(yīng)曲線的數(shù)學(xué)分析,將姿態(tài)變化率作為參量引入到姿態(tài)平衡控制器中,實(shí)現(xiàn)對(duì)YFRA的姿態(tài)傾角和高度的有效控制。通過和其他控制方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:針對(duì)姿態(tài)平衡控制問題,該控制方法能更有效地控制飛行器的姿態(tài),有更強(qiáng)的抗干擾能力;并在物理平臺(tái)上有效地驗(yàn)證了該種控制方法的優(yōu)越性。第四、基于自抗擾控制方法的Y型四旋翼飛行器姿態(tài)的控制研究本文搭建自抗擾控制器通過和其他控制方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:針對(duì)姿態(tài)平衡控制問題,該控制方法能更有效地控制飛行器的姿態(tài),有更強(qiáng)的抗干擾能力;基于此模型的信號(hào)跟蹤問題,自抗擾控制方法能有效對(duì)其進(jìn)行跟蹤并且在高斯白噪聲影響下不會(huì)受到太大影響,并具有大范圍的穩(wěn)定性和魯棒性。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V249.1

【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

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本文編號(hào)：1200121