本文關(guān)鍵詞：室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)研究

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【摘要】：四旋翼無(wú)人機(jī)是一種具備垂直起降和懸停功能,并具有優(yōu)良低速飛行性能的無(wú)人駕駛旋翼飛行器。與常規(guī)布局無(wú)人直升機(jī)相比,四旋翼無(wú)人機(jī)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,使用成本低等優(yōu)勢(shì)。由于這些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),四旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)研究近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界越來(lái)越多的關(guān)注,并廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。論文圍繞四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題,以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的自主飛行為目標(biāo),著重研究了數(shù)學(xué)建模,航向姿態(tài)參考系統(tǒng),基于干擾觀測(cè)器的飛行控制,飛行控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及地面控制站開(kāi)發(fā)等內(nèi)容。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,詳細(xì)分析了作用在四旋翼無(wú)人機(jī)上的力和力矩,并基于牛頓——?dú)W拉原理建立了十二狀態(tài)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法確定了數(shù)學(xué)模型中的機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋翼升力系數(shù)等參數(shù),同時(shí)給出了旋翼轉(zhuǎn)速與PWM信號(hào)及電壓之間的關(guān)系�？紤]到工程實(shí)現(xiàn)和控制器設(shè)計(jì)需要,采用小擾動(dòng)線(xiàn)性化方法對(duì)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行線(xiàn)性化,得到了以傳遞函數(shù)表示的線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型。然后,設(shè)計(jì)了基于低成本微機(jī)電系統(tǒng)傳感器和四元數(shù)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)。針對(duì)航姿系統(tǒng)易受干擾加速度影響而導(dǎo)致精度變差的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了具有干擾加速度修正的四元數(shù)擴(kuò)展卡爾曼濾波航姿估計(jì)算法,并在TMS320F28335數(shù)字信號(hào)控制器上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。與普通四元數(shù)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,具有干擾加速度修正的航姿估計(jì)算法具有更高的精度,能夠滿(mǎn)足四旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制系統(tǒng)的需求。其次,針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)在室內(nèi)飛行時(shí)容易受到內(nèi)部和外部干擾的問(wèn)題,先后設(shè)計(jì)了兩種基于干擾觀測(cè)器的飛行控制方法。先是采用串級(jí)滑�？刂品椒▽�(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行了姿態(tài)控制,并使用非線(xiàn)性干擾觀測(cè)器對(duì)外部干擾進(jìn)行估計(jì)。仿真結(jié)果表明,滑模姿態(tài)控制器具有良好的姿態(tài)控制性能和抗干擾能力。針對(duì)傳統(tǒng)干擾觀測(cè)器干擾估計(jì)精度有限的問(wèn)題,提出了基于線(xiàn)性雙干擾觀測(cè)器的四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制策略,并給出了基于線(xiàn)性雙干擾觀測(cè)器的閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明。同時(shí),設(shè)計(jì)了基于Smith預(yù)測(cè)補(bǔ)償器的改進(jìn)PID位置控制律。仿真實(shí)驗(yàn)表明,基于線(xiàn)性雙干擾觀測(cè)器的跡跟蹤控制策略是有效的。接著,對(duì)室內(nèi)環(huán)境下的四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。硬件方面,重點(diǎn)設(shè)計(jì)了以TMS320F28335為主控芯片的飛行控制主板,完成了原理圖繪制和PCB設(shè)計(jì)。軟件方面,設(shè)計(jì)了基于DSP/BIOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的飛行控制軟件系統(tǒng),并對(duì)主要功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。為滿(mǎn)足飛行控制系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行需求,還開(kāi)發(fā)了基于MFC的地面控制站。最后,進(jìn)行了四旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn),包括姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)和位置控制實(shí)驗(yàn)。飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的、有效的。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼無(wú)人機(jī) 航向姿態(tài)參考系統(tǒng) 四元數(shù) 擴(kuò)展卡爾曼濾波 干擾觀測(cè)器 滑�？刂� TMS320F28335 DSP/BIOS 地面控制站
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V279;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 緒論16-27
• 1.1 研究背景及意義16-18
• 1.1.1 無(wú)人機(jī)的定義16
• 1.1.2 無(wú)人機(jī)的分類(lèi)16-17
• 1.1.3 四旋翼無(wú)人機(jī)17-18
• 1.1.4 研究意義18
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-22
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀21-22
• 1.3 飛行控制方法概述22-24
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容24-27
• 第二章 四旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型27-46
• 2.1 引言27
• 2.2 飛行操縱原理27-28
• 2.3 坐標(biāo)系及主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)28-31
• 2.3.1 坐標(biāo)系28-29
• 2.3.2 主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)29-30
• 2.3.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換30-31
• 2.4 四旋翼無(wú)人機(jī)非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型31-36
• 2.4.1 力和力矩分析31-33
• 2.4.2 繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)方程33-35
• 2.4.3 質(zhì)心平移運(yùn)動(dòng)方程35
• 2.4.4 非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型35-36
• 2.5 數(shù)學(xué)模型參數(shù)確定36-41
• 2.5.1 機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定36-38
• 2.5.2 旋翼組件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定38-39
• 2.5.3 升力系數(shù)測(cè)定39-40
• 2.5.4 旋翼轉(zhuǎn)速與PWM及電壓之間的關(guān)系40-41
• 2.6 四旋翼無(wú)人機(jī)線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型41-45
• 2.7 小結(jié)45-46
• 第三章 四旋翼無(wú)人機(jī)航向姿態(tài)參考系統(tǒng)46-68
• 3.1 引言46-47
• 3.2 四元數(shù)的基本知識(shí)47-50
• 3.3 四元數(shù)微分方程50-51
• 3.4 干擾加速度修正的四元數(shù)EKF航向姿態(tài)參考系統(tǒng)51-61
• 3.4.1 四元數(shù)EKF姿態(tài)估計(jì)系統(tǒng)模型52-55
• 3.4.2 四元數(shù)EKF姿態(tài)估計(jì)算法流程55-58
• 3.4.3 干擾加速度自適應(yīng)修正規(guī)律58-59
• 3.4.4 航向估計(jì)59-61
• 3.5 航姿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)61-67
• 3.5.1 航姿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案61-62
• 3.5.2 航姿系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果62-67
• 3.6 小結(jié)67-68
• 第四章 基于干擾觀測(cè)器的四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制68-95
• 4.1 引言68-69
• 4.2 使用非線(xiàn)性干擾觀測(cè)器的滑模姿態(tài)控制69-75
• 4.2.1 歐拉角控制律設(shè)計(jì)69-71
• 4.2.2 角速率控制律設(shè)計(jì)71-73
• 4.2.3 仿真研究73-75
• 4.3 基于干擾觀測(cè)器的四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制75-94
• 4.3.1 LDDOB姿態(tài)控制77-85
• 4.3.2 軌跡跟蹤控制85-87
• 4.3.3 仿真研究87-94
• 4.4 小結(jié)94-95
• 第五章 四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)95-128
• 5.1 引言95
• 5.2 飛行控制系統(tǒng)功能需求分析95-97
• 5.3 飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)97-102
• 5.3.1 飛行控制主板器件選型98-99
• 5.3.2 飛行控制主板設(shè)計(jì)99-102
• 5.4 飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)102-119
• 5.4.1 DSP/BIOS簡(jiǎn)介102-103
• 5.4.2 DSP/BIOS的線(xiàn)程及優(yōu)先級(jí)103-104
• 5.4.3 飛行控制系統(tǒng)線(xiàn)程分配104-109
• 5.4.4 系統(tǒng)初始化109-111
• 5.4.5 AHRS實(shí)現(xiàn)111-113
• 5.4.6 遙控輸入113
• 5.4.7 飛行模式113-114
• 5.4.8 姿態(tài)控制實(shí)現(xiàn)114-117
• 5.4.9 導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)117
• 5.4.10 位置控制實(shí)現(xiàn)117-119
• 5.5 四旋翼無(wú)人機(jī)地面控制站系統(tǒng)119-126
• 5.5.1 空到地通信120-122
• 5.5.2 地到空通信122-123
• 5.5.3 地面控制站圖形界面設(shè)計(jì)123-126
• 5.6 小結(jié)126-128
• 第六章 四旋翼無(wú)人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)128-135
• 6.1 引言128
• 6.2 姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)128-130
• 6.3 位置控制實(shí)驗(yàn)130-134
• 6.3.1 室內(nèi)定位環(huán)境搭建130-132
• 6.3.2 位置控制實(shí)驗(yàn)132-134
• 6.4 小結(jié)134-135
• 第七章 總結(jié)與展望135-137
• 7.1 總結(jié)135-136
• 7.2 展望136-137
• 參考文獻(xiàn)137-146
• 致謝146-147
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文147

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：528064