【摘要】：多旋翼無人機在近些年來的發(fā)展十分迅速,其機械結(jié)構(gòu)簡單可靠,飛行機動能力多樣,實際操控便捷且環(huán)境適應(yīng)性很強,受到科研與工程技術(shù)人員的越來越多重視,并取得了豐碩的研究成果。目前旋翼無人機多采用四旋翼、六旋翼等配置,通過導(dǎo)航、控制等設(shè)計實現(xiàn)空間六自由度的運動。四旋翼原理上屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)且沒有配備足夠的執(zhí)行機構(gòu)保證冗余度,同時受旋翼數(shù)量的限制其帶載能力較弱。六旋翼結(jié)構(gòu)冗余度較高且?guī)лd能力顯著增強,但多電機運轉(zhuǎn)整機振動較大,對導(dǎo)航與控制的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和可靠性提出了更高要求,設(shè)計時多采用價格高昂的高品質(zhì)的導(dǎo)航元件,這大大制約了多旋翼機型的廣泛推廣。本文在課題組自主研發(fā)的新型CQ-12旋翼無人機基礎(chǔ)上,圍繞其低成本組合導(dǎo)航與飛行穩(wěn)定控制開展深入研究,主要的工作有以下幾個方面:對新型CQ-12旋翼無人機的動力學(xué)特性進(jìn)行研究。在對新型無人機結(jié)構(gòu)特點分析的基礎(chǔ)上經(jīng)過合理的簡化過程,構(gòu)建其沿質(zhì)心位置變化和繞質(zhì)心姿態(tài)變化的動力學(xué)模型,建立控制關(guān)系并推導(dǎo)其運動方程組,為無人機穩(wěn)定控制算法的研究提供更精準(zhǔn)的受控模型。對低成本組合導(dǎo)航傳感器的預(yù)處理進(jìn)行研究。在分析低成本傳感器特性的基礎(chǔ)上,分別構(gòu)建慣性測量單元(INS)、全球定位系統(tǒng)(GNSS)、磁力計(COMPASS)、氣壓計(BARO)的誤差模型并分析誤差來源,提出各傳感器的快速現(xiàn)場標(biāo)定算法,并設(shè)計了對應(yīng)的在線預(yù)處理方法,為組合導(dǎo)航提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)源。對低成本組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行研究。在對比各型數(shù)據(jù)融合方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計了低成本元件高輸出精度的高維數(shù)組合導(dǎo)航EKF算法,構(gòu)建24維狀態(tài)空間并給出各步驟的詳細(xì)推導(dǎo)方程。研究該算法的初始對準(zhǔn)技術(shù),結(jié)合固聯(lián)機體常進(jìn)行大角度機動帶來的噪聲異常,提出方差自適應(yīng)整定方案。為研究人員急需的EKF算法工程實踐提供清晰的各環(huán)節(jié)具體實現(xiàn)方法。對低成本組合導(dǎo)航EKF算法的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。針對高維數(shù)EKF算法穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行分析,創(chuàng)新性的提出了EKF-CPF主動容錯算法,保證EKF算法的長期穩(wěn)定解算。在算法的仿真設(shè)計中給出Simulink具體實現(xiàn)過程,為科研人員急需的EKF仿真實現(xiàn)提供清晰的設(shè)計參考,并給出了各步驟實際參數(shù)。通過仿真和實測驗證了算法的實時性與有效性。對新型CQ-12無人機的姿態(tài)控制算法進(jìn)行研究。針對無人機模型參數(shù)不確定與未建模擾動,引入了自適應(yīng)方法并證明了姿態(tài)控制算法的穩(wěn)定性,設(shè)計了基于Backstepping算法的姿態(tài)控制器。為解決Backstepping工程實現(xiàn)中的運算量難題,引入虛擬指令濾波方法,在大大減小運算量的同時保證無人機姿態(tài)的穩(wěn)定跟蹤。通過仿真和實測驗證了姿態(tài)控制器的跟蹤效果。對新型CQ-12無人機的位置控制算法進(jìn)行研究。針對無人機抗擾能力的需求,設(shè)計了基于自抗擾(ADRC)算法的位置控制器。對TD、ESO、NLSEF各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計。給出位置控制器調(diào)節(jié)參數(shù),對姿態(tài)與位置控制器相結(jié)合的飛行控制系統(tǒng),通過仿真和實測驗證位置控制器的跟蹤效果,通過搭載遙感載荷的實際測量進(jìn)一步驗證飛行控制算法的實用性。對飛行容錯控制算法進(jìn)行研究。針對執(zhí)行機構(gòu)故障的來源進(jìn)行分析和建模,提出帶閾值判別的故障檢測算法,設(shè)計了標(biāo)稱器與自適應(yīng)逼近器想結(jié)合的容錯控制器。通過仿真驗證容錯控制器的有效性,為新型旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的可靠性打下堅實基礎(chǔ)。本文通過對新型CQ-12旋翼機的低成本組合導(dǎo)航和穩(wěn)定控制算法的研究,期望為低成本、高品質(zhì)的多旋翼無人機的推廣和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279;V249
【圖文】：

載達(dá)到 1kg。該無人機結(jié)構(gòu)簡潔，故障率較低，為無人機的設(shè)計提供了良好的模板，許多無人機的結(jié)構(gòu)多采用此方式。圖1.3 X-4 Flyer Mark I飛行器圖1.4 X-4 Flyer Mark II飛行器斯坦福大學(xué)的旋翼無人機平臺計劃(STARMAC)中，Gabe Hoffmann 主持開發(fā)了 STARMAC I 型和 II 型四旋翼無人機，如圖 1.5、圖 1.6 所示。其帶載能力達(dá)到 1kg，導(dǎo)航模塊采用了 IMU/GPS，同時配套設(shè)計了無人機與地面站的通訊鏈路[5][6]。

開創(chuàng)了電動四旋翼在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的先河[7-9]

md4-200四旋翼

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吳欣龍;王鋒;祁圣君;;對無人機系統(tǒng)適航要求標(biāo)準(zhǔn)的初步分析[J];飛行力學(xué);年期

2 周鈺哲;;民用無人機應(yīng)該怎么飛? 美國無人機監(jiān)管給我國的啟示[J];中國無線電;2018年06期

3 邱劍雄;袁宇培;嚴(yán)月浩;龔麗萍;;成都無人機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研及產(chǎn)業(yè)定位思考[J];成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報;2018年02期

4 劉豪;;安防企業(yè)無人機反制系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J];中國安防;2018年06期

5 知遠(yuǎn);藍(lán)山;;國外非毀滅性反無人機技術(shù)發(fā)展[J];輕兵器;2018年07期

6 滕玲;;國產(chǎn)無人機“新星”閃耀 各懷絕技[J];地球;2018年06期

7 盧俊文;王倩營;;無人機演變與發(fā)展研究綜述[J];飛航導(dǎo)彈;2017年11期

8 ;反輻射無人機 天生雷達(dá)殺手[J];今日科苑;2017年07期

9 W.HK;;貴飛“鷂鷹”無人機系統(tǒng)完成首次實時巡查出警任務(wù)[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2017年11期

10 姚思浩;;無人機的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J];電子制作;2018年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 黃兆麒;關(guān)萬隆;李嘉偉;;無人機在邊境管控中的應(yīng)用研究[A];2017年（第三屆）中國航空科學(xué)技術(shù)大會論文集（下冊）[C];2017年

2 王志廣;張春元;康東軒;;中繼式無人機自組網(wǎng)方案設(shè)計[A];OSEC首屆兵器工程大會論文集[C];2017年

3 楊光;王振宇;;無人機用活塞發(fā)動機質(zhì)量與可靠性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[A];質(zhì)量管理體系評估最佳實踐論文集[C];2017年

4 朱德銘;蔚文杰;;推進(jìn)無人機裝備保障科學(xué)發(fā)展的思考[A];航空裝備維修技術(shù)及應(yīng)用研討會論文集[C];2015年

5 顏春艷;勉力財;張九民;;無人機系統(tǒng)用戶技術(shù)資料體系研究[A];航空裝備維修技術(shù)及應(yīng)用研討會論文集[C];2015年

6 王振宇;;航母無人機系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究[A];航空裝備維修技術(shù)及應(yīng)用研討會論文集[C];2015年

7 ;前言[A];2014（第五屆）中國無人機大會論文集[C];2014年

8 祖先鋒;李猛;韓玉芹;陳璞;;軍用無人機系統(tǒng)計量保障體系研究[A];2014（第五屆）中國無人機大會論文集[C];2014年

9 丁照蕾;劉澤勛;;美國無人機系統(tǒng)控制模塊架構(gòu)[A];2014（第五屆）中國無人機大會論文集[C];2014年

10 顧天一;陳云翔;張磊;;基于環(huán)境的無人機數(shù)據(jù)鏈效能評估[A];2014（第五屆）中國無人機大會論文集[C];2014年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 本報記者 姚天宇;中國無人機將成世界市場“捕食者”[N];中國航天報;2016年

2 中國民航科學(xué)技術(shù)研究院法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)研究所 李亞凝;法律如何面對人工智能化無人機[N];經(jīng)濟參考報;2018年

3 李大光　李晨;追趕世界一流的中國無人機[N];中國青年報;2011年

4 本報記者 戴夢希;無人機與保險開啟“相互賦能”新模式[N];金融時報;2018年

5 本報記者 傅江平;產(chǎn)業(yè)發(fā)展與發(fā)達(dá)國家差距明顯[N];中國質(zhì)量報;2018年

6 本報記者 賈保華;無人機背后的“追夢人”[N];解放軍報;2018年

7 本報記者 楊夢帆;植保無人機飛入“標(biāo)準(zhǔn)化”時代[N];農(nóng)民日報;2018年

8 航空工業(yè)沈陽所 岳智敏 張健;航母艦載無人機的發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)[N];中國航空報;2017年

9 記者 姚雯;我國民用無人機產(chǎn)值2025年達(dá)到1800億元[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報;2017年

10 本報記者 湯莉;我國將建立民用無人機管控體系[N];國際商報;2017年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 裴信彪;新型多旋翼無人機的低成本組合導(dǎo)航與穩(wěn)定控制[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所);2018年

2 邱東海;無人機起降滑跑與減振緩沖關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所);2018年

3 張潮;神經(jīng)智能控制在小型快遞無人機系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[D];北京科技大學(xué);2017年

4 秦維彩;單旋翼植保無人機噴霧參數(shù)優(yōu)化研究[D];江蘇大學(xué);2017年

5 趙明;多無人機系統(tǒng)的協(xié)同目標(biāo)分配和航跡規(guī)劃方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

6 郭鵬;基于低空機載傳感器技術(shù)的農(nóng)田作物長勢關(guān)鍵參數(shù)提取方法研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)(北京);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 呂雪;無人機數(shù)據(jù)鏈中基于MIMO的聯(lián)合編碼調(diào)制技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2017年

2 黃鶴飛;Power Egg無人機產(chǎn)品平面與結(jié)構(gòu)包裝設(shè)計研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2017年

3 邵盼愉;基于視覺的無人機入侵檢測與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D];浙江大學(xué);2018年

4 梁超;基于無線信號的無人機探測與干擾方法研究[D];浙江大學(xué);2018年

5 崔坤;多旋翼無人機的多變量辨識與魯棒控制[D];浙江大學(xué);2018年

6 汪強;可復(fù)用的無人機地面維護(hù)系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2018年

7 藍(lán)軍;基于4G移動網(wǎng)絡(luò)的無人機空中管制關(guān)鍵技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2018年

8 楊亞南;無人機信號的偵收與識別方法研究[D];電子科技大學(xué);2018年

9 夏朋;針對民用小型無人機的干擾與反制技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2018年

10 李f

本文編號：2790630