基于四旋翼的飛行機(jī)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(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、隱蔽性強(qiáng),具有重要的軍事和民用價(jià)值,是目前國際上的研究熱點(diǎn)之一。同時(shí),四旋翼飛行器系統(tǒng)是一個(gè)具有非線性、欠驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)耦合特性的不穩(wěn)定系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)對(duì)小型四旋翼飛行器的穩(wěn)定控制,必須建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,然而四旋翼飛行器由于復(fù)雜的氣動(dòng)特性導(dǎo)致獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。本文以一架自己組裝的小型四旋翼飛行器為研究對(duì)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(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系下,利用牛頓-歐拉定理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理,對(duì)四旋翼飛行器這種6自由度剛體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(xì)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(duì)該模型進(jìn)行了閉環(huán)控制仿真實(shí)驗(yàn),充分認(rèn)識(shí)了四旋翼飛行器的非線性、強(qiáng)耦合和欠驅(qū)動(dòng)特性,充分理解了四旋翼飛行器的飛行原理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然后,根據(jù)四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu),對(duì)其進(jìn)行了整體硬件方案設(shè)計(jì),本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則對(duì)元器件完成了選型和采購,組裝了一架滿足實(shí)驗(yàn)要求的小型四旋翼飛行器。基于四元數(shù)算法和多傳感器數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計(jì)了姿態(tài)解算的軟件方案,得到了四旋翼飛行器的實(shí)際飛行姿態(tài)。根據(jù)經(jīng)典PID控制策略,對(duì)四旋翼飛行器設(shè)計(jì)了飛行控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了內(nèi)環(huán)角速度和外環(huán)姿態(tài)角的串級(jí)PID控制。設(shè)計(jì)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(cè)平臺(tái),完成了四旋翼飛行器的實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)的采集,為接下來的辨識(shí)建模提供數(shù)據(jù)支持。緊接著,針對(duì)四旋翼飛行器這種開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng),從系統(tǒng)辨識(shí)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(shí)算法作為閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)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(dòng)原理對(duì)第二章建立的四旋翼飛行器的非線性理論模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和解耦處理,對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,構(gòu)造了姿態(tài)通道的離散辨識(shí)模型集。設(shè)計(jì)閉環(huán)辨識(shí)實(shí)驗(yàn),利用遙控器給飛行器進(jìn)行手動(dòng)掃頻信號(hào),分別采集了三個(gè)姿態(tài)角通道的輸入、輸出數(shù)據(jù)。利用選擇的辨識(shí)算法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)三個(gè)姿態(tài)角通道進(jìn)行了辨識(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了辨識(shí)模型的準(zhǔn)確性。最后,在常規(guī)控制器下,針對(duì)四旋翼飛行器在室外飛行實(shí)驗(yàn)中的漂移和振動(dòng)等問題,基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)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(gè)子任務(wù),選擇模型參考自適應(yīng)控制方法分別對(duì)兩個(gè)子任務(wù)進(jìn)行控制的設(shè)計(jì),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(duì)所設(shè)計(jì)的模型參考自適應(yīng)控制方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并與第三章的PID控制方法進(jìn)行了對(duì)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(dòng),對(duì)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(shí)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V279;V249.1
【部分圖文】：

飛行機(jī)器人（Flying Robot）也稱為無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是指一種搭載動(dòng)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(jī)器人的種類繁多，總的來講可以分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)和無人飛艇。與載人飛行器相比，無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便、維護(hù)成本低、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，一直是國內(nèi)外航空領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的熱點(diǎn)話題[2]。無人機(jī)的發(fā)展最早可以追溯到 20 世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)歐美一些軍事強(qiáng)國為了在戰(zhàn)爭(zhēng)中減少損失和降低傷亡開始研制大型作戰(zhàn)無人機(jī)用于火力部署，后來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的軍事用途更加廣泛，比如用于獲取敵方情報(bào)、地面戰(zhàn)場(chǎng)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(zhēng)和一些局部沖突中扮演了相當(dāng)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(cè)技術(shù)、控制理論、新型材料、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及機(jī)械電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微型、小型無人機(jī)逐漸成為科學(xué)研究的重點(diǎn)，在當(dāng)今社會(huì)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(fèi)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(yùn)輸、航拍等。

1.2 四旋翼飛行器的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 四旋翼飛行器的國外發(fā)展現(xiàn)狀國外對(duì)四旋翼飛行器的研究最早始于 20 世紀(jì)初，1907 年，法國的 Bréguet 兄弟設(shè)計(jì)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(jī)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(gè)旋翼由直徑 8.1m的雙層槳葉組成，機(jī)體總重 375kg。由于受到當(dāng)時(shí)自動(dòng)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(jìn)行了簡(jiǎn)單的離地起飛試驗(yàn)，飛行效果并不理想，但這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)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(gè)旋翼由 6 個(gè)直徑為 8.1m 槳葉組成，機(jī)體總重 1633kg，在之后上百次的飛行試驗(yàn)過程中，該機(jī)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(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的飛行控制，而且造價(jià)昂貴，最終美國軍方不得已而放棄該項(xiàng)目。

1.2 四旋翼飛行器的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.2.1 四旋翼飛行器的國外發(fā)展現(xiàn)狀國外對(duì)四旋翼飛行器的研究最早始于 20 世紀(jì)初，1907 年，法國的 Bréguet 兄弟設(shè)計(jì)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(jī)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(gè)旋翼由直徑 8.1m的雙層槳葉組成，機(jī)體總重 375kg。由于受到當(dāng)時(shí)自動(dòng)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(jìn)行了簡(jiǎn)單的離地起飛試驗(yàn)，飛行效果并不理想，但這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)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(gè)旋翼由 6 個(gè)直徑為 8.1m 槳葉組成，機(jī)體總重 1633kg，在之后上百次的飛行試驗(yàn)過程中，該機(jī)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(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的飛行控制，而且造價(jià)昂貴，最終美國軍方不得已而放棄該項(xiàng)目。

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