本文關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計與研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：四旋翼飛行器是一種由四組電機旋翼聯(lián)合驅(qū)動從而實現(xiàn)垂直起降、橫滾、俯仰等一系列空中動作的無人飛行器,其主要的特點有機動性與操控性強、結(jié)構(gòu)簡單新穎、制造成本低、易于實現(xiàn)定點懸停等,具有廣泛的應(yīng)用前景。在軍事戰(zhàn)場上,特別是近地環(huán)境,可以用于執(zhí)行戰(zhàn)場偵查與監(jiān)視,其優(yōu)良的隱蔽性與機動性可執(zhí)行某些士兵無法完成的任務(wù),甚至可配備電子干擾器或者小型武器,對敵方目標(biāo)發(fā)起直接攻擊。在民用方面,可將其應(yīng)用到森林、山地、海洋等地形復(fù)雜的環(huán)境中執(zhí)行搜索、救援等任務(wù)。在工業(yè)方面,可利用其對道路橋梁、輸油管道、電力輸送設(shè)備等進行安全巡檢,不僅能夠降低成本,而且能夠提高巡檢效率。因此,四旋翼飛行器的開發(fā)與應(yīng)用獲得了眾多科研人員的關(guān)注。本文設(shè)計了一套四旋翼飛行器的控制系統(tǒng),完成了樣機的搭建。依據(jù)飛行器的飛行原理,分別完成了PID控制器與無模型控制器的設(shè)計。通過懸停飛行實驗,對兩種控制器在姿態(tài)控制的穩(wěn)定性以及抗擾動性方面進行了研究。本文主要包括以下內(nèi)容:1、針對任務(wù)要求與性能需求,提出了一種四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的硬件總體方案。綜合考慮性能、功耗、價格等因素選取合適的電子器材,以STM32為主控制器,配合陀螺儀傳感器、加速度傳感器、高度計等來設(shè)計姿態(tài)控制系統(tǒng),選取直流無刷電機作為動力機構(gòu)。設(shè)計了相關(guān)的硬件電路圖,并完成四旋翼飛行器樣機的制作。2、四旋翼飛行器控制算法的研究是本文的重點內(nèi)容,本文首先介紹了基于動力學(xué)簡化模型的PID控制器,該控制器是具有姿態(tài)控制回路與位置控制回路的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。然后,根據(jù)四旋翼飛行器難以建立精準(zhǔn)的動力學(xué)模型這個特點,提出了一種新的無模型控制器的實現(xiàn)方案。3、以所制作的四旋翼飛行器為平臺,分別應(yīng)用兩種控制算法進行懸停飛行實驗,驗證了兩種控制器在俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、高度控制的穩(wěn)定性以及抗擾動的性能。實驗結(jié)果表明,兩種控制器均能達到理想的控制效果,且各具有優(yōu)勢。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼飛行器 PID控制 無模型控制器 飛行控制系統(tǒng) STM32
【學(xué)位授予單位】：青島理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第1章 概論11-19
• 1.1 研究的背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3 硬件平臺的分類16
• 1.4 四旋翼飛行器研究的一些關(guān)鍵問題16-17
• 1.4.1 整機最優(yōu)化設(shè)計16-17
• 1.4.2 動力與能耗設(shè)計17
• 1.4.3 非線性系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確建立17
• 1.4.4 飛行控制器的設(shè)計17
• 1.5 論文研究的主要工作17-18
• 1.6 本章小結(jié)18-19
• 第2章 四旋翼飛行器架構(gòu)與硬件設(shè)計19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 機身架構(gòu)19-20
• 2.3 飛行控制系統(tǒng)方案20-22
• 2.4 硬件選型與設(shè)計22-30
• 2.4.1 主控制器22-23
• 2.4.2 陀螺儀傳感器23-24
• 2.4.3 加速度傳感器24-25
• 2.4.4 高度計25-26
• 2.4.5 電源電路設(shè)計26-27
• 2.4.6 直流無刷電機27-30
• 2.5 本章小結(jié)30-31
• 第3章 建立四旋翼飛行器動力學(xué)模型31-38
• 3.1 引言31
• 3.2 四旋翼飛行器飛行原理31-32
• 3.3 旋轉(zhuǎn)矩陣的建立32-35
• 3.4 四旋翼飛行器動力學(xué)模型35-37
• 3.5 本章小結(jié)37-38
• 第4章 四旋翼飛行器控制器設(shè)計38-47
• 4.1 引言38
• 4.2 基于PID算法的控制器38-43
• 4.2.1 PID控制理論基礎(chǔ)38-39
• 4.2.2 PID控制器結(jié)構(gòu)39-40
• 4.2.3 位置PID回路40-41
• 4.2.4 姿態(tài)PID回路41-43
• 4.3 基于無模型控制算法的控制器43-46
• 4.3.1 無模型控制理論簡介43
• 4.3.2 無模型控制器的設(shè)計43-46
• 4.4 本章小結(jié)46-47
• 第5章 飛行控制器軟件設(shè)計與飛行實驗47-55
• 5.1 引言47
• 5.2 飛行控制器軟件設(shè)計47-49
• 5.2.1 開發(fā)環(huán)境47
• 5.2.2 飛行控制軟件流程47-48
• 5.2.3 上位機軟件48-49
• 5.3 懸停飛行試驗及結(jié)果分析49-53
• 5.3.1 俯仰穩(wěn)定性能50-51
• 5.3.2 滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能51-52
• 5.3.3 高度穩(wěn)定性能52-53
• 5.3.4 抗擾動性能53
• 5.4 四旋翼飛行器試飛53-54
• 5.5 本章小結(jié)54-55
• 第6章 總結(jié)與展望55-57
• 6.1 研究成果總結(jié)55
• 6.2 研究前景展望55-57
• 參考文獻57-60
• 攻讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表及科研情況60-61
• 致謝61

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 李秀英;劉彥博;;基于PWM的四旋翼飛行器控制方法[J];吉林大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版);2011年05期

2 聶博文;馬宏緒;王劍;王建文;;微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J];電光與控制;2007年06期

3 徐梓皓;周召發(fā);孫立江;;基于卡爾曼濾波器的姿態(tài)角測量系統(tǒng)設(shè)計[J];電子測量技術(shù);2014年01期

4 蔣愛平,李秀英,韓志剛;從PID到無模型控制器[J];控制工程;2005年03期

5 韓志剛;無模型控制方法在化肥生產(chǎn)中的應(yīng)用[J];控制理論與應(yīng)用;2004年06期

  本文關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計與研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：259504