發(fā)布時(shí)間：2017-05-24 19:08

  本文關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器控制技術(shù)研究及其微功耗設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：旋翼式無人機(jī)因可以垂直起降、低速飛行以及懸停，并能夠依靠調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速直接控制飛行速度，制造成本低，適應(yīng)復(fù)雜氣象和地理環(huán)境而備受人們青睞。但由于其有效載荷小，續(xù)航時(shí)間短及控制難度大等問題限制了它的應(yīng)用范圍。因而研究其高效可靠的控制系統(tǒng)使其適合減災(zāi)、救災(zāi)及戰(zhàn)場的需要，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。 本文以四旋翼飛行器為研究對(duì)象，，分析并建立了四旋翼飛行器控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出并研究了一種滑模變結(jié)構(gòu)控制器，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種續(xù)航能力相對(duì)較大、功耗低、魯棒性強(qiáng)、調(diào)節(jié)時(shí)間短、飛行位置、姿態(tài)及高度可控且具有一定智能的四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)及其飛行模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 主要研究工作如下： 1.通過對(duì)若干研究案例進(jìn)行對(duì)比分析，將四旋翼飛行器簡化為六自由度四輸入的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的六自由度輸出量與四輸入量間耦合緊密，增加了建模難度，也限制了各種控制算法的應(yīng)用，文中采用機(jī)理建模方法，依據(jù)參考文獻(xiàn)中的動(dòng)力學(xué)方程，推導(dǎo)并建立了四旋翼飛行器的簡化數(shù)學(xué)模型，為控制算法研究奠定了基礎(chǔ)。 2.根據(jù)飛行器的動(dòng)力模型，采用MATLAB/Simulink仿真軟件，搭建了四旋翼飛行器的PID以及滑�？刂品抡嫫脚_(tái)。對(duì)飛行器的位置以及高度姿態(tài)進(jìn)行了控制仿真。仿真結(jié)果表明，PID控制算法的控制響應(yīng)時(shí)間為2秒左右，滑�？刂扑惴ǖ捻憫�(yīng)時(shí)間為1.6秒左右。對(duì)兩種算法仿真結(jié)果對(duì)比顯示，PID算法雖然可以很好的進(jìn)行飛行器控制，但是控制過程中出現(xiàn)較大的超調(diào)，這使得飛行器從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑比較曲折。而滑�？刂扑惴ǹ刂七^度平穩(wěn)，飛行器飛至目標(biāo)點(diǎn)的飛行軌跡比較平穩(wěn)。且滑�？刂扑惴ň哂懈痰捻憫�(yīng)時(shí)間和更好的魯棒性。 3.在詳細(xì)分析系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，以低功耗為約束條件，討論了主控制器、高度計(jì)、陀螺儀和無線通信模塊及執(zhí)行電機(jī)的功能及選型原則，論證了飛行模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案，給出了AVR單片機(jī)為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)了并調(diào)試了相應(yīng)電路模塊電路原理圖。實(shí)驗(yàn)表明，飛行器最終達(dá)到了基本懸停和在遙控器輔助的情況下的姿態(tài)控制要求。 4.軟件設(shè)計(jì)方面，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，給出了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；從系統(tǒng)方案和軟硬件設(shè)計(jì)等多方面研究了低功耗設(shè)計(jì)方法，凝練了低功耗設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；闡述了軟件設(shè)計(jì)思想及其流程，設(shè)計(jì)并著重討論了為提高系統(tǒng)的可調(diào)試性和可維護(hù)性而研發(fā)的自檢模塊，設(shè)計(jì)了主程序和部分子程序流程圖。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼飛行器 數(shù)學(xué)建模 PID控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制 自診斷功能 低功耗設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：V279;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 課題的背景及意義10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-15
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15
• 1.3 主要的飛行控制算法15
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容15-17
• 第2章 四旋翼飛行器數(shù)學(xué)建模17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)原理17-19
• 2.3 四旋翼飛行器的動(dòng)態(tài)模型建立19-24
• 2.3.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣20-21
• 2.3.2 運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)21-24
• 2.4 本章小結(jié)24-25
• 第3章 四旋翼飛行器的 PID 控制25-36
• 3.1 PID 控制器簡介25-28
• 3.1.1 比例（P）控制25-26
• 3.1.2 積分（I）控制26-27
• 3.1.3 微分（D）控制27-28
• 3.2 四旋翼飛行器的 PID 控制器的設(shè)計(jì)28-32
• 3.2.1 飛行器 PID 位置控制器設(shè)計(jì)28-29
• 3.2.2 飛行高度與姿態(tài) PID 控制器整體設(shè)計(jì)29
• 3.2.3 PID 控制器29-31
• 3.2.4 Inversion 模塊31-32
• 3.2.5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型32
• 3.3 仿真結(jié)果分析32-34
• 3.4 PID 控制器的魯棒性研究34-35
• 3.5 本章小結(jié)35-36
• 第4章 四旋翼飛行器滑�？刂�36-46
• 4.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論36-40
• 4.1.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的發(fā)展簡介36-37
• 4.1.2 滑�？刂频幕径x37-39
• 4.1.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)器的設(shè)計(jì)步驟39-40
• 4.2 四旋翼無人機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)40-43
• 4.2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制器的總體設(shè)計(jì)41
• 4.2.2 滑模控制律的推導(dǎo)41-43
• 4.3 滑�？刂频� Matlab/Sinmulink 仿真實(shí)現(xiàn)43-44
• 4.4 仿真結(jié)果分析44-45
• 4.5 本章小結(jié)45-46
• 第5章 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)46-60
• 5.1 低功耗四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)46-52
• 5.1.1 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的機(jī)型方案47
• 5.1.2 傳感器的選擇47-50
• 5.1.3. 旋翼驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型及后向通道50-51
• 5.1.4 無線通信電路模塊51-52
• 5.2 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)52-53
• 5.2.1 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則52-53
• 5.2.2 故障分析及處理53
• 5.3 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)53-58
• 5.3.1 系統(tǒng)應(yīng)用軟件的模塊化和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)53-56
• 5.3.2 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的自診斷模塊56-58
• 5.4 飛行控制的實(shí)現(xiàn)58-59
• 5.5 本章小結(jié)59-60
• 第6章 總結(jié)與展望60-62
• 6.1 本文總結(jié)60
• 6.2 前景展望60-62
• 參考文獻(xiàn)62-66
• 作者簡介66-67
• 致謝67

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前9條

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本文編號(hào)：391689