基于四旋翼的飛行機器人是一種可垂直起降、懸停以及快速改變航向的非載人飛行器,它結(jié)構(gòu)簡單、機動靈活、隱蔽性強,具有重要的軍事和民用價值,是目前國際上的研究熱點之一。同時,四旋翼飛行器系統(tǒng)是一個具有非線性、欠驅(qū)動和強耦合特性的不穩(wěn)定系統(tǒng),為實現(xiàn)對小型四旋翼飛行器的穩(wěn)定控制,必須建立準確的數(shù)學(xué)模型,然而四旋翼飛行器由于復(fù)雜的氣動特性導(dǎo)致獲得準確的數(shù)學(xué)模型相當困難。本文以一架自己組裝的小型四旋翼飛行器為研究對象,分別在數(shù)學(xué)建模和飛行控制等方面開展了一系列研究工作。首先,介紹了小型四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu),分析了幾種常見的飛行模式。在大地坐標系和機體坐標系下,利用牛頓-歐拉定理和坐標轉(zhuǎn)換原理,對四旋翼飛行器這種6自由度剛體進行運動學(xué)和動力學(xué)建模分析,并充分考慮飛行過程中的陀螺效應(yīng)和耦合特性,詳細推導(dǎo)并建立了四旋翼飛行器的全狀態(tài)非線性理論模型。在MATLAB/Simulink中采用PID控制方法對該模型進行了閉環(huán)控制仿真實驗,充分認識了四旋翼飛行器的非線性、強耦合和欠驅(qū)動特性,充分理解了四旋翼飛行器的飛行原理和運動規(guī)律。然后,根據(jù)四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu),對其進行了整體硬件方案設(shè)計,本著經(jīng)濟實用的原則對元器件完成了選型和采購,組裝了一架滿足實驗要求的小型四旋翼飛行器�；谒脑獢�(shù)算法和多傳感器數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計了姿態(tài)解算的軟件方案,得到了四旋翼飛行器的實際飛行姿態(tài)。根據(jù)經(jīng)典PID控制策略,對四旋翼飛行器設(shè)計了飛行控制系統(tǒng),實現(xiàn)了內(nèi)環(huán)角速度和外環(huán)姿態(tài)角的串級PID控制。設(shè)計了四旋翼飛行器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和飛行狀態(tài)監(jiān)測平臺,完成了四旋翼飛行器的實際飛行實驗和飛行數(shù)據(jù)的采集,為接下來的辨識建模提供數(shù)據(jù)支持。緊接著,針對四旋翼飛行器這種開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng),從系統(tǒng)辨識的基本原理和一般步驟出發(fā),在經(jīng)典最小二乘算法的基礎(chǔ)上選擇了遞推最小二乘辨識算法作為閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)估計的方法,該方法迭代速度快,具有明確的物理意義。利用小擾動原理對第二章建立的四旋翼飛行器的非線性理論模型進行簡化和解耦處理,對驅(qū)動電機的模型進行簡化,構(gòu)造了姿態(tài)通道的離散辨識模型集。設(shè)計閉環(huán)辨識實驗,利用遙控器給飛行器進行手動掃頻信號,分別采集了三個姿態(tài)角通道的輸入、輸出數(shù)據(jù)。利用選擇的辨識算法和實驗數(shù)據(jù)分別對三個姿態(tài)角通道進行了辨識建模,得到了四旋翼飛行器姿態(tài)通道的離散傳遞函數(shù)模型,并利用相同條件下的試驗數(shù)據(jù)驗證了辨識模型的準確性。最后,在常規(guī)控制器下,針對四旋翼飛行器在室外飛行實驗中的漂移和振動等問題,基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計了模型參考自適應(yīng)控制器。根據(jù)四旋翼飛行器的理論模型將控制問題劃分為兩個子任務(wù),選擇模型參考自適應(yīng)控制方法分別對兩個子任務(wù)進行控制的設(shè)計,通過構(gòu)造Lyapunov函數(shù),證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,得到了自適應(yīng)控制律;在MATLAB/Simulink中對所設(shè)計的模型參考自適應(yīng)控制方法進行仿真實驗,并與第三章的PID控制方法進行了對比分析。仿真結(jié)果表明,在相同的飛行環(huán)境和飛行指令下,自適應(yīng)控制器能很好的抑制四旋翼飛行器的漂移和震動,對飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定性能和特定軌跡的跟蹤性能要明顯優(yōu)于PID控制。從而為自適應(yīng)控制在四旋翼飛行器上的工程實際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V279;V249.1
【部分圖文】：

飛行機器人（Flying Robot）也稱為無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是指一種搭載動力裝置和控制系統(tǒng)，通過地面遙控器指揮或自主飛行，并可以重復(fù)使用的非載人飛行器[1]。飛行機器人的種類繁多，總的來講可以分為固定翼無人機、旋翼無人機和無人飛艇。與載人飛行器相比，無人機具有結(jié)構(gòu)簡單、攜帶方便、維護成本低、隱蔽性強等優(yōu)點，一直是國內(nèi)外航空領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的熱點話題[2]。無人機的發(fā)展最早可以追溯到 20 世紀初，當時歐美一些軍事強國為了在戰(zhàn)爭中減少損失和降低傷亡開始研制大型作戰(zhàn)無人機用于火力部署，后來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機的軍事用途更加廣泛，比如用于獲取敵方情報、地面戰(zhàn)場偵查、監(jiān)視、電子干擾和火力精確打擊等，并且在科索沃戰(zhàn)爭和一些局部沖突中扮演了相當重要的角色[3]。近年來，隨著嵌入式微控制技術(shù)、微傳感器檢測技術(shù)、控制理論、新型材料、移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及機械電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微型、小型無人機逐漸成為科學(xué)研究的重點，在當今社會中有著越來越廣泛的應(yīng)用，其中最具典型的代表是四旋翼飛行器（Quadrotor）[4-5]如圖 1.1 所示，它不但在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且在民用方面更是得到了消費者的青睞比如可以用于自然災(zāi)害之后的救援、農(nóng)作物育植、物流運輸、航拍等。

1.2 四旋翼飛行器的國內(nèi)外發(fā)展狀況1.2.1 四旋翼飛行器的國外發(fā)展現(xiàn)狀國外對四旋翼飛行器的研究最早始于 20 世紀初，1907 年，法國的 Bréguet 兄弟設(shè)計并制造了歷史上第一架四旋翼載人飛行器 Breguet-Richet No.1[13]。如圖 1.2 所示，該飛行器的機身是由 4 根很長的焊接鋼管支架呈水平十字交叉組成，四個旋翼由直徑 8.1m的雙層槳葉組成，機體總重 375kg。由于受到當時自動控制和微電子等技術(shù)條件的限制，該飛行器在沒有飛行控制系統(tǒng)的作用下，僅進行了簡單的離地起飛試驗，飛行效果并不理想，但這種創(chuàng)新的設(shè)計思想?yún)s為四旋翼飛行器的發(fā)展開創(chuàng)了先河。1922 年，受美國軍方委托，俄裔美國人 George De Bothezat 開發(fā)出了真正意義上的四旋翼載人飛行器，稱作“飛天章魚”[14]。如圖 1.3 所示，該飛行器的每個旋翼由 6 個直徑為 8.1m 槳葉組成，機體總重 1633kg，在之后上百次的飛行試驗過程中，該機成功離地起飛 4.6m 高，并在空中徘徊了一分鐘，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過于笨重，飛行員很難實現(xiàn)一個穩(wěn)定的飛行控制，而且造價昂貴，最終美國軍方不得已而放棄該項目。

1.2 四旋翼飛行器的國內(nèi)外發(fā)展狀況1.2.1 四旋翼飛行器的國外發(fā)展現(xiàn)狀國外對四旋翼飛行器的研究最早始于 20 世紀初，1907 年，法國的 Bréguet 兄弟設(shè)計并制造了歷史上第一架四旋翼載人飛行器 Breguet-Richet No.1[13]。如圖 1.2 所示，該飛行器的機身是由 4 根很長的焊接鋼管支架呈水平十字交叉組成，四個旋翼由直徑 8.1m的雙層槳葉組成，機體總重 375kg。由于受到當時自動控制和微電子等技術(shù)條件的限制，該飛行器在沒有飛行控制系統(tǒng)的作用下，僅進行了簡單的離地起飛試驗，飛行效果并不理想，但這種創(chuàng)新的設(shè)計思想?yún)s為四旋翼飛行器的發(fā)展開創(chuàng)了先河。1922 年，受美國軍方委托，俄裔美國人 George De Bothezat 開發(fā)出了真正意義上的四旋翼載人飛行器，稱作“飛天章魚”[14]。如圖 1.3 所示，該飛行器的每個旋翼由 6 個直徑為 8.1m 槳葉組成，機體總重 1633kg，在之后上百次的飛行試驗過程中，該機成功離地起飛 4.6m 高，并在空中徘徊了一分鐘，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過于笨重，飛行員很難實現(xiàn)一個穩(wěn)定的飛行控制，而且造價昂貴，最終美國軍方不得已而放棄該項目。

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7 鄧寅U

本文編號：2828708