【摘要】：四旋翼飛行器具有低成本、零傷亡、可重復(fù)利用和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),吸引了眾多的學(xué)者參與到四旋翼飛行器的研究中。但其飛行系統(tǒng)是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)、非線性和強(qiáng)耦合的系統(tǒng),因此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制是難點(diǎn)之一。另外,實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行的前提就是獲取準(zhǔn)確的姿態(tài)角,四旋翼飛行器一般使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件作為導(dǎo)航傳感器,但是MEMS器件有著噪聲高和易受環(huán)境影響的缺點(diǎn),如何使用高效的數(shù)據(jù)融合算法來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的準(zhǔn)確解算也是重要的研究方向,本文將針對以上問題展開研究。首先,根據(jù)飛行器建模需要,建立了兩種坐標(biāo)系,推導(dǎo)出了姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣,以牛頓的力學(xué)公式為基礎(chǔ),根據(jù)飛行器的動(dòng)力學(xué)特性建立非線性動(dòng)力學(xué)模型方程組,為飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。然后,為了優(yōu)化導(dǎo)航研究中姿態(tài)角的穩(wěn)定性能,并實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)解算,分別使用基于四元數(shù)算法的擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)和模糊自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波(FAEKF)對采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,并使用MATLAB對上述算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明,模糊自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法在姿態(tài)穩(wěn)定性能控制上更優(yōu)。最后,使用飛行器的動(dòng)力學(xué)方程組分別搭建了姿態(tài)控制模型和位置控制模型,使用PID算法進(jìn)行控制,完成仿真實(shí)驗(yàn)。為了優(yōu)化控制效果,設(shè)計(jì)模糊控制器對PID進(jìn)行優(yōu)化,并使用MATLAB/Simulink平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明模糊PID提高了姿態(tài)穩(wěn)定的控制性能。使用本文所設(shè)計(jì)的控制算法和姿態(tài)解算算法對四旋翼飛行器進(jìn)行飛行試驗(yàn),試驗(yàn)表明:本文提出的算法可以取得良好的飛行效果,證明了算法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279;V249
【圖文】：

圖 1 Breguet-Richet 研制的四軸飛行器Fig.1 Quadrotor developed by Breguet-Richet在上世紀(jì)中期開始，四旋翼飛行器的發(fā)展?jié)u進(jìn)成熟，名為“Convertawing Mo”的四旋翼飛行器在上世紀(jì)中葉問世[4]，如圖 2(a)所示，該飛行器依靠兩個(gè)動(dòng)動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力，兩個(gè)動(dòng)機(jī)之間相互獨(dú)立，通過改變每個(gè)電機(jī)的功率來改力，可以實(shí)現(xiàn)簡單的飛行。在上世紀(jì) 60 年代，美國軍隊(duì)曾邀請荷蘭的公司為研制四旋翼飛行器“VZ-7”[4]，該飛行器相對之前的穩(wěn)定性都有質(zhì)的提高，

渦輪發(fā)送機(jī)給飛行器提供升力，重量減小的同時(shí)還提升了功率，如圖 2(b)，其飛行速度較慢和飛行高度較低，不符合美方軍隊(duì)的要求，該項(xiàng)目沒有進(jìn)一發(fā)就擱置了，但該飛行器的機(jī)動(dòng)性和載重能力都有了大大的提高，但是相對定翼，在飛行速度、飛行高度、載重能力和續(xù)航等方面都落后，在上世紀(jì)的四旋翼飛行器的發(fā)展較緩慢。

控制算法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。圖 3 Draganflyer X4 圖 4 MITFig.3 Draganflyer X4 Fig.4 MIT賓夕法尼亞大學(xué)的研發(fā)的名為 HMX4 的四旋翼飛行器是一種利用圖像處理的方法來實(shí)現(xiàn)自主飛行的[5]，他們使用的姿態(tài)解算算法和控制算法分別為反饋線性化控制器和 backstepping 算法，實(shí)物圖如圖 5 所示。賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的HMX4 已經(jīng)能夠穩(wěn)定的根據(jù)視覺定位系統(tǒng)來進(jìn)行定位和姿態(tài)角的測量。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2785258