四旋翼無人機(jī)是一種典型的集強(qiáng)耦合和非線性等特性為一體的旋翼式無人機(jī)。目前,針對無人機(jī)的研究主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型建立、控制算法和路徑規(guī)劃等方面。四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)作為一種欠驅(qū)動的非線性系統(tǒng),在無人機(jī)飛行過程中,其系統(tǒng)參數(shù)容易受到外界環(huán)境因素的影響,要搭建準(zhǔn)確的無人機(jī)數(shù)學(xué)模型較為困難的,目前,在搭建無人機(jī)系統(tǒng)模型的時(shí)大多采用Newton-Euler法建立四旋翼無人機(jī)六自由度的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型,在建立模型的過程中需要進(jìn)行約束條件的假設(shè)以及模型的簡化,才能得到四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型。為了解決四旋翼無人機(jī)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)復(fù)雜的問題,本文采用Matlab/SimMechanics工具建模的方式,將四旋翼無人機(jī)的三維物理模型轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行仿真分析的Simulink仿真模型。SimMechanics與Newton-Euler法建立四旋翼無人機(jī)數(shù)學(xué)模型的方式相比,大大簡化了數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過程。針對四旋翼無人機(jī)在飛行過程中容易受到外界干擾影響的問題,本文對模糊PID控制算法進(jìn)行了研究,并將模糊PID控制算法應(yīng)用到了四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制中,進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文所做的主要工作如下:1.搭... 

【文章來源】：西南交通大學(xué)四川省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

“全球鷹”實(shí)物圖

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3頁隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)以、控制技術(shù)和新型材料的不斷發(fā)展，旋翼式無人機(jī)的瓶頸被逐步打破，較為復(fù)雜的旋翼式無人機(jī)的工程問題有了清晰的解決方式，這也促使了旋翼式無人機(jī)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。近幾年來，隨著旋翼式無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，旋翼式無人機(jī)也逐漸被用于軍用和民用方面。在軍事方面，旋翼式無人機(jī)可用于戰(zhàn)場偵查、物資運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面；在民用方面，旋翼式無人機(jī)可應(yīng)用于空中攝影、電路巡檢、快遞投放、農(nóng)業(yè)植保以及地圖測繪等方面。旋翼式無人機(jī)最初在民用領(lǐng)域的應(yīng)用中即是用于航空拍攝，在無人機(jī)航拍領(lǐng)域目前做得最好的無異于深圳的“大疆”公司，在消費(fèi)級航拍無人機(jī)中，大疆公司推出了MAVIC系列無人機(jī)，該系列無人機(jī)可進(jìn)行跟隨拍攝，MAVIC無人機(jī)采用FOC正弦波驅(qū)動架構(gòu)電調(diào)及8331螺旋槳，顯著的提高了無人機(jī)的飛行效率，續(xù)航時(shí)間可達(dá)30分鐘，且大大降低了旋翼無人機(jī)飛行時(shí)的噪聲。在專業(yè)級航拍無人機(jī)中，大疆公司推出了“悟”Inspire系列無人機(jī)，該系列無人機(jī)搭載了DJI3512電機(jī)并配備了DJI1550T螺旋槳，0-80KM/h僅需5秒，最大飛行速度可達(dá)94KM/h。為了保證飛行安全，Inspire系列無人機(jī)采用了冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對于IMU，氣壓計(jì)等飛行安全部件均進(jìn)行了雙冗余設(shè)計(jì)，且配備了環(huán)境感知系統(tǒng)，大大提高了無人機(jī)的飛行安全。圖1-2MAVIC圖1-3“悟”系列無人機(jī)

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5頁1.3.1國外發(fā)展現(xiàn)狀無人機(jī)的早期研究主要集中在發(fā)達(dá)國家，且主要集中在高校。如美國賓夕法尼亞大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、法國貢比涅技術(shù)大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)等[1]。下面，本文分別對他們的研究成果進(jìn)行概括綜述。1）賓夕法尼亞大學(xué)該校的GRASP實(shí)驗(yàn)室致力于研究無人機(jī)的應(yīng)用方面。例如將視覺技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于視覺反饋控制測量方法。在該方法中，通過相機(jī)來采集無人機(jī)上的姿態(tài)位置標(biāo)志，通過圖像處理手段以及氣壓計(jì)、磁力計(jì)、六軸姿態(tài)傳感器和GPS等傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)定位以及姿態(tài)檢測。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)又將雙目視覺技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了對無人機(jī)的六自由度姿態(tài)估計(jì)。該方法相對于傳統(tǒng)方法有著更高的精度且對檢測圖像上面的噪聲有著更優(yōu)秀的魯棒性[2][3]，如圖1-4所示。圖1-4賓夕法尼亞大學(xué)GRASP實(shí)驗(yàn)室的無人機(jī)2）瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院該校以Bouabdallah教授所屬的團(tuán)隊(duì)為代表，該團(tuán)隊(duì)一共開發(fā)了OS-I和OS-II兩代產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)提出將無人機(jī)的控制分為外回路和內(nèi)回路，并為其分別設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器和位置控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效地控制無人機(jī)的位置和姿態(tài)，但存在一定地延遲。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)分別將經(jīng)典PID和現(xiàn)代控制LQ策略用于無人機(jī)上發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典地PID方法相對于現(xiàn)代控制LQ策略所取得的效果更優(yōu)。Bounabdallah認(rèn)為產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是沒有考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)與推進(jìn)組之間的差異。此外，該團(tuán)隊(duì)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)作為一個(gè)非線性的機(jī)電系統(tǒng)，使用經(jīng)典PID方法控制無人機(jī)姿態(tài)時(shí)，在小角度時(shí)控制效果較為理想，但隨著其姿態(tài)角超過一定范圍后，PID的控制效果被大大削減。并對了滑膜控制和反演控制在無人機(jī)上的效果，結(jié)果表明滑�？刂菩Ч焕硐�，特別

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于無人機(jī)影像的煤場工程量監(jiān)測分析[J]. 李健,徐旭.  常州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2019(02)
[2]基于四元數(shù)互補(bǔ)濾波的小型四旋翼姿態(tài)解算[J]. 李二闖,張建杰,袁亮,吳金強(qiáng).  組合機(jī)床與自動化加工技術(shù). 2019(03)
[3]小型消費(fèi)級無人機(jī)在獲取大比例尺地形數(shù)據(jù)中的應(yīng)用研究[J]. 姬洪亮.  價(jià)值工程. 2019(08)
[4]Human-Robot Interface for Unmanned Aerial Vehicle via a Leap Motion[J]. Mingxuan Chen,Caibing Liu,Guanglong Du,Ping Zhang.  Journal of Beijing Institute of Technology. 2019(01)
[5]自抗擾PID四旋翼飛行器控制方法研究[J]. 張小明,于紀(jì)言,王坤坤.  電子技術(shù)應(yīng)用. 2019(03)
[6]一種共軸雙旋翼飛行器懸�？刂坡�(lián)合仿真[J]. 陳漢,李科偉,鄧宏彬,危怡然,趙瑾.  兵工學(xué)報(bào). 2019(02)
[7]Switching disturbance rejection attitude control of near space vehicles with variable structure[J]. GONG Ligang,WANG Qing,DONG Chaoyang.  Journal of Systems Engineering and Electronics. 2019(01)
[8]一種改進(jìn)的四旋翼飛行器建模方法[J]. 劉士超,呂品,賴際舟,包勝.  導(dǎo)航與控制. 2019(01)
[9]四旋翼無人機(jī)自主飛行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 陳釗,年曉紅,熊紅云,周文孝.  控制與信息技術(shù). 2019(01)
[10]關(guān)于多旋翼無人機(jī)航時(shí)估算與優(yōu)化的研究[J]. 范雨嘉.  通訊世界. 2019(02)

碩士論文
[1]四軸飛行器飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究[D]. 李強(qiáng).南昌大學(xué) 2018
[2]四旋翼無人機(jī)姿態(tài)分析[D]. 丁子健.華北水利水電大學(xué) 2018
[3]基于backstepping方法的電力系統(tǒng)非線性控制設(shè)計(jì)[D]. 權(quán)婉珍.東北電力大學(xué) 2018
[4]四旋翼吊掛系統(tǒng)負(fù)載擺動抑制研究[D]. 吳超凡.渤海大學(xué) 2018
[5]單自由度撲翼機(jī)及其推重比的研究[D]. 陳桂安.廣西大學(xué) 2018
[6]自主無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]. 徐健.廣西大學(xué) 2018
[7]基于STM32單片機(jī)的自主飛行的四旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法研究[D]. 呂玉恒.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 2018
[8]雙陀螺效應(yīng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究[D]. 楊繼厚.北京工業(yè)大學(xué) 2018
[9]四旋翼無人機(jī)自抗擾飛行控制研究[D]. 王向磊.西南科技大學(xué) 2018
[10]基于改進(jìn)PSO-PID算法的四軸飛行器飛控系統(tǒng)研究[D]. 康日暉.太原理工大學(xué) 2018



本文編號：3209990