本文關鍵詞：四旋翼無人機建模與控制問題研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：四旋翼無人機由四個螺旋槳旋轉提供升力,機動靈活、可控性強,目前在軍用和民用領域都得到了廣泛的應用。同時,四旋翼無人機也是一個欠驅(qū)動、多變量、強耦合的復雜非線性系統(tǒng),對其建模和控制的研究具有重要的應用價值。本文對四旋翼無人機的起源、發(fā)展現(xiàn)狀及研究熱點進行了細致、廣泛的調(diào)研,并以本實驗室的四旋翼無人機Qball-X4為研究對象,進行了建模和控制方法的研究,主要有以下幾個方面的內(nèi)容:第一,由于四旋翼無人機欠驅(qū)動、多變量、強耦合的特性,其數(shù)學模型的獲取具有一定難度。本文首先研究了四旋翼無人機的五種基本飛行方式:懸停,升降運動,俯仰運動、翻滾運動以及偏航運動,并通過建立地面坐標系和機體坐標系來分析無人機的受力和力矩情況。然后,將機體視作剛體,從動力學和運動學兩方面分別對無人機運動進行研究,得到其非線性數(shù)學模型。第二,針對單個慣性傳感器難以準確獲取四旋翼無人機的姿態(tài)信息的問題,本文對基于多傳感器的無人機姿態(tài)融合算法進行了研究。首先,研究了各慣性傳感器的特性、噪聲模型以及姿態(tài)解算原理;然后,設計了經(jīng)典卡爾曼濾波器對多傳感器數(shù)據(jù)進行融合,由于其依賴于噪聲模型,不準確的噪聲參數(shù)可能會導致濾波發(fā)散,本文在此基礎上設計了單新息自適應卡爾曼濾波器,在線估計噪聲參數(shù),避免噪聲模型失配。最后,通過仿真對改進前后的姿態(tài)融合效果進行了比較。第三,采用線性二次調(diào)節(jié)器(LQR)作為四旋翼無人機的控制器。由于四旋翼無人機在飛行過程中存在運動耦合及不確定擾動,傳統(tǒng)LQR控制可能會丟失其非線性特性,降低控制魯棒性。針對這一問題,引入了狀態(tài)擴張觀測器(ESO),設計了基于狀態(tài)擴張觀測器的LQR控制器(ESO-LQR)。通過仿真比較了傳統(tǒng)LQR控制器和ESO-LQR控制器的控制效果。第四,針對常規(guī)無人機控制器不能有效處理執(zhí)行器約束及輸出約束的問題,采用預測控制算法(MPC)實現(xiàn)無人機的控制。為減小常規(guī)MPC控制器的靜態(tài)誤差,本文將角度積分作為狀態(tài)變量引入MPC控制,設計了積分擴展MPC控制器。通過仿真對控制器的控制性能進行了比較。第五,在實驗平臺上進行了飛行測試,驗證了文章所提控制算法的有效性。
【關鍵詞】：四旋翼無人機 姿態(tài)融合 單新息自適應卡爾曼濾波 ESO-LQR 積分擴展MPC 仿真 飛行測試
【學位授予單位】：湖北工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1;V279
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 引言9-17
• 1.1 課題研究意義9
• 1.2 四旋翼無人機的發(fā)展狀況9-13
• 1.2.1 四旋翼無人機的起源9-11
• 1.2.2 四旋翼無人機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 相關熱點問題的研究13-15
• 1.3.1 四旋翼無人機建模13-14
• 1.3.2 四旋翼無人機姿態(tài)解算14
• 1.3.3 四旋翼無人機自主飛行控制算法14-15
• 1.4 本篇論文的結構安排15-17
• 第2章 四旋翼無人機控制原理及建模17-29
• 2.1 Qball-X4四旋翼無人機17
• 2.2 控制原理17-20
• 2.3 坐標系與變換矩陣20-22
• 2.3.1 坐標系定義20-21
• 2.3.2 坐標變換矩陣21-22
• 2.4 推進器模型22
• 2.5 系統(tǒng)模型22-28
• 2.5.1 動力學方程22-26
• 2.5.2 運動學方程26-28
• 2.5.3 系統(tǒng)非線性模型28
• 2.6 本章小結28-29
• 第3章 無人機姿態(tài)融合算法研究29-43
• 3.1 慣性傳感器特性及姿態(tài)解算29-32
• 3.1.1 MEMS慣性傳感器特性29-30
• 3.1.2 MEMS慣性傳感器測量模型30
• 3.1.3 基于單個MEMS慣性傳感器的姿態(tài)角解算30-32
• 3.2 基于多傳感器的無人機姿態(tài)解算32-39
• 3.2.1 經(jīng)典卡爾曼濾波32-36
• 3.2.2 經(jīng)典卡爾曼濾波器的設計36-37
• 3.2.3 基于單新息的自適應卡爾曼濾波器37-39
• 3.3 仿真實驗39-42
• 3.3.1 慣性傳感器輸出特性仿真測試39-40
• 3.3.2 基于兩種濾波器的姿態(tài)估計對比實驗40-42
• 3.4 本章小結42-43
• 第4章 基于LQR算法的四旋翼無人機控制43-59
• 4.1 最優(yōu)控制器LQR43-45
• 4.2 基于LQR算法的四旋翼無人機控制器設計45-50
• 4.2.1 四旋翼無人機模型簡化45
• 4.2.2 系統(tǒng)子模型的狀態(tài)空間描述45-48
• 4.2.3 控制系統(tǒng)結構分析及LQR設計48-50
• 4.3 基于擴張狀態(tài)觀測器的LQR的姿態(tài)控制器設計50-53
• 4.3.1 非線性擴張狀態(tài)觀測器描述50-51
• 4.3.2 基于擴張狀態(tài)觀測器的LQR的姿態(tài)控制器51-53
• 4.4 仿真實驗53-58
• 4.4.1 姿態(tài)控制實驗53-55
• 4.4.2 位置控制實驗55-58
• 4.5 本章小結58-59
• 第5章 基于模型預測控制算法的四旋翼無人機控制59-73
• 5.1 模型預測控制的基本思想59-60
• 5.2 基于狀態(tài)空間模型的模型預測控制60-64
• 5.2.1 預測模型60-62
• 5.2.2 滾動優(yōu)化62-63
• 5.2.3 反饋較正63
• 5.2.4 參數(shù)調(diào)節(jié)63-64
• 5.3 標準二次規(guī)劃問題轉化及模型預測控制器的設計64-66
• 5.3.1 基于二次規(guī)劃的約束優(yōu)化方法64-65
• 5.3.2 基于模型預測控制的控制器設計65-66
• 5.4 帶積分擴展的模型預測控制66-67
• 5.5 仿真實驗67-71
• 5.5.1 姿態(tài)控制實驗67-69
• 5.5.2 位置控制實驗69-71
• 5.6 本章小結71-73
• 第6章 平臺飛行測試73-79
• 6.1 實驗平臺73-75
• 6.1.1 實驗設備及軟件73-74
• 6.1.2 實驗流程74-75
• 6.2 軌跡跟蹤控制實驗75-78
• 6.2.1 基于PID控制器的飛行測試75-76
• 6.2.2 基于LQR與ESO-LQR控制器的飛行測試76-78
• 6.3 本章小結78-79
• 第7章 全文總結與展望79-81
• 7.1 全文總結79-80
• 7.2 工作展望80-81
• 參考文獻81-84
• 致謝84-85
• 附錄 碩士期間發(fā)表的論文85

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1 辛健成;美國海軍無人機發(fā)展歷程[J];機器人技術與應用;2000年05期

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5 馬曉平;系統(tǒng)工程學在無人機研制中的應用[J];航空科學技術;2003年04期

6 柯邊;“影子200”戰(zhàn)術無人機[J];航天電子對抗;2003年06期

7 溫羨嶠,李英;從美國無人機的發(fā)展來看無人機在未來戰(zhàn)爭中的應用前景[J];現(xiàn)代防御技術;2003年05期

8 王永壽;日本無人機的研究開發(fā)現(xiàn)狀與動向[J];飛航導彈;2003年08期

9 袁剛輝;徐志紅;;不斷壯大的俄羅斯無人機家族[J];現(xiàn)代兵器;2003年02期

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1 王林;張慶杰;朱華勇;沈林成;;遠程異地多無人機系統(tǒng)控制權切換技術研究[A];2009中國控制與決策會議論文集（3）[C];2009年

2 譚健美;張琚;閆娟;;信息無人機系統(tǒng)——無人機發(fā)展史上新的里程碑[A];第二屆中國航空學會青年科技論壇文集[C];2006年

3 黃愛鳳;鄧克緒;;民用無人機發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術[A];第九屆長三角科技論壇——航空航天科技創(chuàng)新與長三角經(jīng)濟轉型發(fā)展分論壇論文集[C];2012年

4 劉長亮;;無人機發(fā)動機氣道開度自適應機構的設計與實現(xiàn)[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第三分冊）[C];2009年

5 丁霖;;無人機系統(tǒng)人機交互界面淺析[A];探索 創(chuàng)新 交流（第4集）——第四屆中國航空學會青年科技論壇文集[C];2010年

6 劉澤坤;呂繼淮;;艦載無人機系統(tǒng)的環(huán)境適應性[A];人—機—環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)立20周年紀念大會暨第五屆全國人—機—環(huán)境系統(tǒng)工程學術會議論文集[C];2001年

7 葉烽;宋祖勛;;無人機系統(tǒng)電磁兼容性測試研究[A];第十四屆全國電磁兼容學術會議論文集[C];2004年

8 易當祥;呂國志;沈玲玲;;多級路況下車載無人機疲勞載荷仿真[A];第十二屆全國疲勞與斷裂學術會議論文集[C];2004年

9 錢正祥;金繼才;楊鷺怡;;未來局部戰(zhàn)爭中反無人機作戰(zhàn)對策研究[A];探索創(chuàng)新交流－－中國航空學會青年科技論壇文集[C];2004年

10 高鵬騏;晏磊;趙紅穎;何定洲;;無人機遙感控制平臺的設計與實現(xiàn)[A];第十五屆全國遙感技術學術交流會論文摘要集[C];2005年

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1 洪山;法國、德國和西班牙簽約共同研發(fā)三國無人機系統(tǒng)[N];中國航空報;2007年

2 崔璽康;對抗無人機所面臨的新挑戰(zhàn)[N];中國航空報;2007年

3 林英;無人機將進入現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領域[N];光明日報;2007年

4 本報記者 陳永杰　馬佳;中國無人機亮相：戰(zhàn)爭“零傷亡”將實現(xiàn)[N];北京科技報;2008年

5 祖茜楓;“綜合者”：攜帶小導彈的小無人機[N];中國國防報;2008年

6 王磊;印度期望打造強大無人機部隊[N];學習時報;2009年

7 李荔;無人機“俯瞰”黃河災情[N];北京科技報;2011年

8 本報記者 宋斌斌;我國無人機應用高端化趨勢明顯[N];中國工業(yè)報;2011年

9 吳飛;反恐十年無人機扶搖直上[N];中國航空報;2011年

10 司古;美無人機遭神秘病毒入侵[N];國防時報;2011年

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1 劉洋;動態(tài)環(huán)境中的無人機路徑規(guī)劃研究[D];西北工業(yè)大學;2015年

2 高九州;無人機自主著陸控制[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2016年

3 陳巖;蟻群優(yōu)化理論在無人機戰(zhàn)術控制中的應用研究[D];國防科學技術大學;2007年

4 林林;基于協(xié)同機制的多無人機任務規(guī)劃研究[D];北京郵電大學;2013年

5 劉春陽;無人機隱身技術若干問題研究[D];西安電子科技大學;2012年

6 王小剛;非線性濾波方法在無人機相對導航上的應用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

7 黃國勇;變推力軸線無人機飛行控制技術研究[D];南京航空航天大學;2009年

8 鄭維剛;基于無人機紅外影像技術的配電網(wǎng)巡檢系統(tǒng)研究[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2014年

9 許德新;無人機光電載荷視軸穩(wěn)定技術研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

10 唐晏;基于無人機采集圖像的植被識別方法研究[D];成都理工大學;2014年

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1 趙敏;分布式多類型無人機協(xié)同任務分配研究及仿真[D];南京理工大學;2009年

2 劉志花;無人機故障預測與健康管理技術研究[D];北京化工大學;2010年

3 劉愛兵;可變形無人機設計[D];南京航空航天大學;2009年

4 易姝姝;無人機飛行場景及數(shù)據(jù)的可視化仿真與實現(xiàn)[D];電子科技大學;2010年

5 張佳璐;無人機項目綜合評價研究[D];北京郵電大學;2011年

6 趙志鴻;某型無人機雙發(fā)火箭助推發(fā)射動力學建模與仿真研究[D];南京理工大學;2007年

7 李建華;某無人機發(fā)射系統(tǒng)技術研究[D];南京理工大學;2008年

8 戴世通;無人機飛行可視化仿真系統(tǒng)設計[D];西安理工大學;2008年

9 曹攀峰;敵對與非敵對環(huán)境下無人機群的協(xié)同搜索路徑與策略研究[D];復旦大學;2010年

10 張錫憲;無人機測控中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D];電子科技大學;2009年

  本文關鍵詞：四旋翼無人機建模與控制問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：293548