【摘要】：四旋翼無人機(jī)由四個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力,可垂直起降、定點(diǎn)懸停、機(jī)動(dòng)靈活、可控性強(qiáng),其在軍事偵察、災(zāi)害搜救、航拍攝影等領(lǐng)域都擁有較好的實(shí)用性和發(fā)展前景,具有重要的工程意義和研究價(jià)值。四旋翼無人機(jī)具有非線性、欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合、對干擾敏感等特點(diǎn),其數(shù)學(xué)模型的建立、控制器的設(shè)計(jì)成為研究的重點(diǎn)。本文對四旋翼無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究現(xiàn)狀進(jìn)行細(xì)致的分析,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,以本實(shí)驗(yàn)室的Qball-X4四旋翼無人機(jī)作為研究對象,進(jìn)行建模和控制仿真研究。1.使用物理建模方法建立四旋翼無人機(jī)的數(shù)學(xué)模型。針對四旋翼無人機(jī)欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合等特性導(dǎo)致數(shù)學(xué)模型難以獲取的問題,本文首先分析了其機(jī)體結(jié)構(gòu)特征和基本飛行方式,包括升降、懸停、滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)。然后建立了地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系來研究運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在兩種參考系下的變化。同時(shí),將無人機(jī)視作剛體結(jié)構(gòu),從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)角度對無人機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析,建立其非線性數(shù)學(xué)模型。2.研究滑�？刂扑枷牒投墩褚种品椒�。由于滑�？刂拼嬖诙墩駟栴},應(yīng)用在四旋翼無人機(jī)等物理機(jī)械系統(tǒng)中存在難度,本文選擇了彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)作為控制對象,研究其基于滑模控制器的Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)。然后,對滑�？刂坡刹扇〗铺幚硎侄�,前后仿真結(jié)果對比表明,改進(jìn)滑模控制律能夠抑制抖振問題,并能適用于四旋翼無人機(jī)的控制器構(gòu)建。3.構(gòu)建四旋翼無人機(jī)滑�？刂破鳌ａ槍λ男頍o人機(jī)易受干擾影響的敏感特性,引入滑�？刂扑惴▉碓鰪�(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力,采用滑�？刂坡山铺幚矸椒�(gòu)建四旋翼無人機(jī)的滑模控制器,在Matlab/Simulink仿真中對系統(tǒng)響應(yīng)速度、位置超調(diào)量、回調(diào)時(shí)間等結(jié)果進(jìn)行了分析,結(jié)果驗(yàn)證了滑�？刂破鞯挠行浴�4.在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中測試Qball-X4四旋翼無人機(jī)的飛行。測試驗(yàn)證了無人機(jī)模型建立的正確性和軌跡跟蹤的有效性。
【圖文】：

因此飛行速度較快。例如圖 1.1 所示由法國公司 parrot 開發(fā)的消費(fèi)級 parrotdisco 固定翼無人機(jī)，這是一款高性能航拍無人機(jī)，配備自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和第一人稱視角。圖 1.2 所示為國產(chǎn)“翼龍”軍用無人機(jī)，裝配紅外傳感器和先進(jìn)的武器系統(tǒng)，能夠搭載 50 公斤炸彈。和旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)對比，固定翼無人機(jī)擁有更快飛行速度，更長航程，更大載重量。但由于起飛或者降落時(shí)需要跑道或者發(fā)射器，故而固定翼無人機(jī)不能在狹小的空間中飛行，因?yàn)楸仨毐３窒蚯翱焖僖苿?dòng)才能獲取升力，所以需要保持靜止的任務(wù)固定翼無人機(jī)則無法做到。

圖 1.1 parrot disco 圖 1.2 “翼龍”無人機(jī)旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)的螺旋槳數(shù)量并不固定，根據(jù)旋翼個(gè)數(shù)的差別可以細(xì)分為很多種，從單旋翼無人機(jī)到 16 旋翼無人機(jī)都有。旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)不同于固定翼無人機(jī)的地方在于其螺旋槳可以直接產(chǎn)生升力，四個(gè)螺旋槳能夠提供垂直起飛和著陸的能力，同時(shí)也能在一定的高度懸停。因此，旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)能在很窄的空間里工作。和固定翼無人機(jī)相比，旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)同樣具備一定負(fù)載能力，且操作更為簡單、飛行更加靈活。因此，，旋翼無人機(jī)在自主搜救[8]、空中導(dǎo)航[9]、火災(zāi)監(jiān)測[10]、農(nóng)業(yè)應(yīng)用[11]、電力線路檢查[12]等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：湖北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279;V249.1

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本文編號(hào)：2699307