【摘要】：近幾十年來,無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于軍事與民用領(lǐng)域,其相關(guān)研究工作正日益被科研人員所重視。多旋翼無人機(jī)憑借簡單的結(jié)構(gòu)與靈活的機(jī)動能力成為了無人機(jī)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。多旋翼無人飛行器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需攜帶各種任務(wù)載荷,載荷的形狀、質(zhì)量等會對無人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定產(chǎn)生影響,而無人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定是其安全完成任務(wù)的基礎(chǔ)。因此,設(shè)計(jì)合適的姿態(tài)控制器,使無人機(jī)能夠在攜帶不同載荷的情況下實(shí)現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定,具有重要意義。本文以共軸十二旋翼無人機(jī)為研究對象,針對無人機(jī)攜帶各種不同載荷時(shí)的姿態(tài)控制問題進(jìn)行研究,主要研究內(nèi)容有以下幾方面:(1)建立數(shù)學(xué)模型:要對無人機(jī)姿態(tài)控制進(jìn)行研究,首先要建立無人機(jī)的動力學(xué)模型,首先選定合適的參考坐標(biāo)系并給出各個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣,之后利用牛頓運(yùn)動學(xué)相關(guān)公式建立了多旋翼無人機(jī)的動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)方程。最后考慮到無人機(jī)攜帶不同類型載荷的情況,推導(dǎo)得出攜帶不同載荷時(shí)的多旋翼無人機(jī)的動力學(xué)方程。(2)姿態(tài)控制器設(shè)計(jì):本文設(shè)計(jì)兩種不同控制器進(jìn)行對比:首先設(shè)計(jì)基于PID控制的多旋翼無人飛行器姿態(tài)控制器,考慮各種不同載荷對于無人機(jī)姿態(tài)的影響,設(shè)計(jì)多組仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制器有效性;由于PID控制存在局限性,為了改善控制效果,本文設(shè)計(jì)了基于自抗擾控制(ADRC)的無人機(jī)姿態(tài)控制器,同樣設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)控制器,并設(shè)計(jì)幾組兩種控制器的對比實(shí)驗(yàn)分析比較兩種控制器的控制效果,最終得出結(jié)論。(3)航跡跟蹤控制器設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)多旋翼無人機(jī)的位置控制器與姿態(tài)控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),內(nèi)環(huán)采用性能更好的基于自抗擾控制的姿態(tài)控制器,外環(huán)采用PD控制來設(shè)計(jì)位置控制器,進(jìn)行航跡跟蹤仿真實(shí)驗(yàn)并且分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)控制器能夠達(dá)到在無人機(jī)攜帶不同載荷時(shí)實(shí)現(xiàn)航跡穩(wěn)定跟蹤的要求。
【圖文】：

固定翼式無人機(jī)更佳的機(jī)動靈活性[2]，被廣泛應(yīng)用于軍事民用等多個(gè)領(lǐng)域。旋翼式無人機(jī)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域：由于微電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，如今旋翼式無人機(jī)越來越多的發(fā)展為微小型，這種微小型多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，在軍事領(lǐng)域可以用于戰(zhàn)場偵察、炮彈打擊、運(yùn)輸物資等[3]。最初的無人機(jī)主要用于軍事，而如今多旋翼無人機(jī)在民用方面的應(yīng)用前景更加廣泛，可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢、災(zāi)害救援、航空拍攝等[4]。農(nóng)業(yè)植保：在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，相比于人工以及地面機(jī)械，無人機(jī)的應(yīng)用有著很大的優(yōu)勢，其可以用于農(nóng)藥噴灑，噴灑效率能夠達(dá)到地面機(jī)械的數(shù)倍，更是人工的數(shù)十倍[5]；無人機(jī)還可以搭載相機(jī)、光譜儀、熱像儀以及各種傳感器，用于監(jiān)測農(nóng)作物的生長狀況以及生長環(huán)境、預(yù)警農(nóng)作物的蟲草災(zāi)害、評估自然災(zāi)害等[6]。北京零度智控公司在 2017 年 4 月推出了一款農(nóng)業(yè)無人機(jī)——守護(hù)者 Z10，該機(jī)可攜帶 10kg 有效載荷，滿載續(xù)航時(shí)間長達(dá) 15 分鐘，一體化機(jī)體結(jié)構(gòu)更適合植保作業(yè)，還專門針對農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域的需求對噴灑系統(tǒng)以及航跡規(guī)劃進(jìn)行了優(yōu)化，隨飛機(jī)配備的智能操控平臺可使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)一鍵起飛、一鍵降落、一鍵返航的“三一功能”。

圖 1.2 無人機(jī)進(jìn)行線路巡檢害救援：我國是個(gè)自然災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家，，發(fā)生災(zāi)害后，為減少人員要及時(shí)高效的實(shí)施救援。無人機(jī)機(jī)動性強(qiáng)，并且可以在各種救援人員無高危地區(qū)進(jìn)行工作，因此非常適合自然災(zāi)害的救援工作[8]。在 2008 年的中就有無人機(jī)應(yīng)用于災(zāi)害分析的實(shí)例，利用微型無人機(jī)勘查災(zāi)害現(xiàn)場，高了對災(zāi)害現(xiàn)場的勘查能力[9]，也使得災(zāi)害救援能夠更加及時(shí)地進(jìn)行。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279;V249.1

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本文編號：2680184