【摘要】：為獲取高質(zhì)量的低空遙感影像,無人機機載航拍設(shè)備必須固定在高精度增穩(wěn)云臺之上。通過穩(wěn)定控制技術(shù)保持增穩(wěn)云臺在慣性空間中的姿態(tài)穩(wěn)定,從而維持航拍設(shè)備視軸的穩(wěn)定,進而獲取穩(wěn)定清晰的視頻圖像。為獲得穩(wěn)定、清晰、抖動小的視頻圖像,研究和設(shè)計一款穩(wěn)定精度高、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小的無人機機載增穩(wěn)云臺具有重要理論意義和實用價值。本文分為三部分:1)概述國內(nèi)外無人機機載增穩(wěn)云臺的發(fā)展現(xiàn)狀以及穩(wěn)定控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀;2)論述增穩(wěn)云臺的機械結(jié)構(gòu)、物理模型和所受擾動來源,并對其工作原理進行分析;3)圍繞增穩(wěn)云臺的控制,重點開展了增穩(wěn)云臺姿態(tài)檢測和電機位置伺服控制的研究工作。本文采用MEMS慣性傳感器對增穩(wěn)云臺的姿態(tài)進行檢測,為提高姿態(tài)檢測精度,將離散Kalman濾波算法應(yīng)用于多傳感器信息融合姿態(tài)解算。與互補濾波算法相比,采用離散Kalman濾波算法的姿態(tài)檢測模塊檢測精度得到提高。本文選用無刷直流電機作為增穩(wěn)云臺的執(zhí)行機構(gòu)。首先,為減小電機力矩脈動,分析了磁場定向控制在無刷直流電機位置伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用;其次,分析了該控制系統(tǒng)的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),并使用MATLAB的SIMULINK工具箱搭建仿真模型;最后,為提高系統(tǒng)動態(tài)性能,提出了三閉環(huán)控制系統(tǒng)的邏輯規(guī)則+PI控制算法。仿真結(jié)果表明,采用邏輯規(guī)則+PI控制的無刷直流電機位置伺服控制系統(tǒng)具有超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高、抗擾動性強的特點,在上升時間上,邏輯規(guī)則+PI控制僅為PID控制的53.8%。為對上述控制方法進行實驗驗證,搭建了兩軸增穩(wěn)云臺實驗樣機。在靜態(tài)實驗中,兩種控制方法的超調(diào)量均很小,各軸穩(wěn)態(tài)誤差均小于0.15°,但相對于PID控制,采用邏輯規(guī)則+PI控制時,俯仰軸和橫滾軸上升時間分別減小了13.4%、11.5%。在動態(tài)實驗中,增穩(wěn)云臺采用PID控制時,俯仰軸和橫滾軸的姿態(tài)角最大絕對誤差分別小于0.48°、0.52°;采用邏輯規(guī)則+PI控制時,俯仰軸和橫滾軸最大絕對誤差分別小于0.40°、0.43°,俯仰軸和橫滾軸的姿態(tài)控制精度分別提高了16.7%和17.3%。地面模擬實驗和實際飛行實驗表明,采用邏輯規(guī)則+PI控制的兩軸增穩(wěn)云臺具有良好的增穩(wěn)效果。
【圖文】：

使用方便、監(jiān)測范圍廣等優(yōu)點。在災害監(jiān)測與救援方面的應(yīng)用[5,6]：由于無人機受地理環(huán)境限制的影響相對較小，在自然災害發(fā)生后無人機可以快速到達受災現(xiàn)場。通過增穩(wěn)云臺掛載的航拍設(shè)備，可以做到對災區(qū)實時監(jiān)測，給救援人員開展救援工作提供客觀的決策依據(jù)，大大提高救援工作的進度。在電網(wǎng)線路巡檢方面[7,8]：為保證安全，高壓電網(wǎng)的輸電線距離地面有數(shù)米甚至數(shù)十米，同時也讓工作人員難以接近，給輸電線路的巡檢和維修工作帶來不便。通過使用搭載有增穩(wěn)云臺的無人機，工作人員不需要近距離接觸輸電線路，很大地提高了安全性，并且能夠快速地完成輸電線路的巡檢工作，極大地提高了工作效率。當輸電線路出現(xiàn)故障時，無人機可以快速地到達故障點，獲取事故的總體情況，進而有效地提高維修速度、降低損失。圖 1-1 展示了多旋翼無人機搭載增穩(wěn)云臺的四個具體應(yīng)用場景。

因此在低空遙感等領(lǐng)域，增穩(wěn)云臺得到性空間中自由度的數(shù)目，增穩(wěn)云臺可以劃分為三軸增穩(wěn)云臺三大類。在實際應(yīng)用中，具有更軸增穩(wěn)云臺應(yīng)用更廣。假設(shè)不考慮云臺機械結(jié)軸增穩(wěn)云臺理論上能夠保證負載設(shè)備在三維空的角度來看，各軸之間的相對獨立性使得兩軸方法上并沒有多大的區(qū)別。增穩(wěn)云臺軸數(shù)需根擇，為簡化研究對象的復雜性，本章主要對兩進行分析。云臺結(jié)構(gòu)，，增穩(wěn)云臺通過其基座直接掛載在多旋翼無人飛行姿態(tài)產(chǎn)生變化時，增穩(wěn)云臺在慣性空間的為多旋翼無人機機載兩軸增穩(wěn)云臺的機械結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V279;V249.1

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本文編號：2641151