【摘要】：四旋翼飛行器具有飛行姿態(tài)靈活、穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)觀測(cè)、影視拍攝、快遞運(yùn)輸、電力巡檢、新聞報(bào)道等領(lǐng)域,執(zhí)行這些任務(wù)需要對(duì)四旋翼飛行器位置和姿態(tài)做出準(zhǔn)確和穩(wěn)定的控制。傳統(tǒng)四旋翼飛行器依靠慣性測(cè)量單元定高懸停時(shí)會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。研究人員加入了GPS傳感器以修正位置,但在室內(nèi)或GPS信號(hào)差的環(huán)境中,無(wú)法準(zhǔn)確定位。此外,四旋翼飛行器的姿態(tài)控制常常會(huì)受到高頻信號(hào)的干擾,而傳統(tǒng)PID控制器在處理帶有高頻或突變的輸入信號(hào)時(shí)存在超調(diào)量過(guò)大問(wèn)題。本文針對(duì)四旋翼飛行器定高懸停不穩(wěn)定和姿態(tài)控制受高頻信號(hào)干擾這兩個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)定高懸停模型和基于微分先行PID算法的飛行控制器,本文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括:(1)設(shè)計(jì)了基于光流傳感器、激光傳感器和九軸傳感器的定高懸停模型。為了使飛行器能夠穩(wěn)定懸停,必須保持姿態(tài)和位置的穩(wěn)定。首先,讀取加速度計(jì),解算出的俯仰角和翻滾角沒(méi)有偏差積累,用以修正從陀螺儀得到的俯仰角和翻滾角。其次,由于磁力計(jì)沒(méi)有積累誤差,可以解算出高精度的偏航角用以修正陀螺儀得到的偏航角。同理,光流傳感器的測(cè)量誤差不隨時(shí)間而積累,可以抑制飛行器水平方向的漂移。激光傳感器與氣壓計(jì)結(jié)合來(lái)測(cè)量飛行器的高度。最后,利用卡爾曼濾波器融合多個(gè)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù),得到飛行器穩(wěn)定懸停的最優(yōu)估計(jì)。飛行測(cè)試基于傳統(tǒng)慣性測(cè)量單元的定高懸停模型和改進(jìn)后的定高懸停模型的水平和垂直方向的加速度和位移,結(jié)果表明改進(jìn)后的定高懸停模型的懸停效果更好。(2)設(shè)計(jì)了基于微分先行PID算法的飛行控制器。飛行器姿態(tài)的穩(wěn)定控制是飛行器定高懸停的關(guān)鍵。本文針對(duì)高頻信號(hào)對(duì)飛行器姿態(tài)控制的影響,設(shè)計(jì)了基于微分先行PID算法的飛行控制器。傳統(tǒng)PID控制器的輸入信號(hào)直接作用在微分控制部分,當(dāng)輸入信號(hào)帶有高頻或突變信號(hào)時(shí),對(duì)微分環(huán)節(jié)造成沖擊,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不完全微分PID控制器在微分環(huán)節(jié)的輸出串聯(lián)一階低通濾波器來(lái)消除高頻信號(hào)的干擾,但是系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低。微分先行PID控制器對(duì)變化相對(duì)緩和的輸出量做微分運(yùn)算,這樣既降低了高頻信號(hào)的干擾,又不影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。高頻信號(hào)干擾下,對(duì)傳統(tǒng)PID控制器、不完全微分PID控制器和微分先行PID控制器做了仿真實(shí)驗(yàn),還通過(guò)飛行實(shí)驗(yàn)對(duì)微分先行PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器的三個(gè)姿態(tài)角進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明微分先行PID控制器的超調(diào)量更小,系統(tǒng)響應(yīng)速度更快。
【圖文】：

2 四旋翼飛行器的飛行原理及運(yùn)動(dòng)分析“+”字模式和“X”模式[36]，其中，“X”模式的支架控制響應(yīng)速度快，視野開(kāi)闊[37-39文采用“X”模式。“+”字模式和“X”模式抽象結(jié)構(gòu)分別如圖 2.1 和圖 2.2 所示1、M2、M3、M4 分別表示飛行器的四個(gè)電機(jī)，其中 M1 和 M3 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，，M2 4 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 四旋翼飛行器的飛行原理及運(yùn)動(dòng)分析“+”字模式和“X”模式[36]，其中，“X”模式的支架控制響應(yīng)速度快，視野開(kāi)闊[37-39文采用“X”模式。“+”字模式和“X”模式抽象結(jié)構(gòu)分別如圖 2.1 和圖 2.2 所示1、M2、M3、M4 分別表示飛行器的四個(gè)電機(jī)，其中 M1 和 M3 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，M2 4 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V249.1

【參考文獻(xiàn)】

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7 唐

本文編號(hào)：2710298