本文關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器飛控板設(shè)計(jì)及魯棒控制在姿態(tài)控制律中的應(yīng)用

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【摘要】：四旋翼飛行器是一種由對(duì)稱分布式的四個(gè)旋翼組成的一種飛行器,由于其具有垂直起降、懸停、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),這使得四旋翼飛行器成為至2005年開始的近十年時(shí)間以來,發(fā)展最快速的一種飛行器。四旋翼有四個(gè)控制輸入,六個(gè)控制輸出(狀態(tài)),因此四旋翼是欠驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),該系統(tǒng)還具有高度耦合、比較復(fù)雜的特點(diǎn),因此系統(tǒng)的建模和對(duì)模型處理以及控制器設(shè)計(jì)上是難點(diǎn)。本文在研究了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀之后,發(fā)現(xiàn)四旋翼的核心是控制器,一個(gè)沒有控制器的四旋翼是無法操控的,因此設(shè)計(jì)四旋翼控制器是本文的重點(diǎn)。本文以一個(gè)小型四旋翼飛行為對(duì)象,對(duì)四旋翼的控制器設(shè)計(jì)做了研究,本文首先將飛控需要完成的任務(wù)進(jìn)行劃分,根據(jù)劃分的任務(wù)選定了ARM內(nèi)核的STM32F103的MCU(微型控制處理器)。選擇MPU6050傳感器采集XYZ三軸的加速度和角加速度,氣壓計(jì)5883L采集飛行器高度信息。根據(jù)各個(gè)IC器件的Datasheet,不難畫出飛控的原理圖,由于飛控實(shí)現(xiàn)的功能不是很復(fù)雜,PCB走線較簡(jiǎn)單,考慮成本原因,飛控PCB板采用兩層板結(jié)構(gòu)。對(duì)于控制器的設(shè)計(jì),大部分都是基于精確數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的,本文首要的工作是建立四旋翼的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)牛頓—?dú)W拉定理在慣性坐標(biāo)系(大地坐標(biāo)系)下,建立了力的微分方程和力矩的微分方程,并將其轉(zhuǎn)換到機(jī)體坐標(biāo)系中,因?yàn)閭鞲衅鳒y(cè)量的歐拉角是在機(jī)體坐標(biāo)系下表述,至此得到了在機(jī)體坐標(biāo)系下的微分方程。對(duì)于坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換采用的矩陣表示的方法,因?yàn)閷?duì)于任何兩個(gè)不同的坐標(biāo)系,分別轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)角度,便可以將一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系上,將大地坐標(biāo)系向機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的矩陣按照偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)的變換順序求出變換矩陣,這樣可以避免在表示滾轉(zhuǎn)角的時(shí)候出現(xiàn)奇異點(diǎn)。在該方程中含有三角函數(shù)和二次項(xiàng)等非線性表達(dá)式,采用小擾動(dòng)理論近似的將微分方程展開,舍去高階無窮下量,得到一階線性微分方程。在平衡點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)又可分為橫向和縱向運(yùn)動(dòng),于是微分方程分為橫向運(yùn)動(dòng)微分方程和縱向運(yùn)動(dòng)微分方程。因?yàn)樵趯?shí)際環(huán)境中存在不確定性因素,另外在建模的過程中也會(huì)產(chǎn)生誤差,在這種情況下設(shè)計(jì)的控制器在對(duì)理想模型仿真時(shí)會(huì)表現(xiàn)出非常好的性能,但是在實(shí)際飛控調(diào)試時(shí)可能與仿真出現(xiàn)較大的偏差。對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)本文采用魯棒控制器設(shè)計(jì)方法,主要是未解決飛行器的抗干擾問題,魯棒控制器設(shè)計(jì)思想是在最壞的情況下也要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,因此這種控制器不是最優(yōu)控制器,但它的工程實(shí)用性強(qiáng)。在線性化的狀態(tài)空間中采用H?次優(yōu)方法設(shè)計(jì)控制器,將設(shè)計(jì)的控制器帶入非線性模型中進(jìn)行驗(yàn)證,采用這種方法進(jìn)行仿真可以很好的驗(yàn)證控制器的好壞。
【關(guān)鍵詞】：飛控 飛行器建模 魯棒控制 嵌入式設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：南昌航空大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V249.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-20
• 1.1 引言9-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3 飛行控制系統(tǒng)17-18
• 1.4 研究內(nèi)容18-20
• 第二章 硬件設(shè)計(jì)20-28
• 2.1 IC器件選型20-22
• 2.2 電路設(shè)計(jì)22-27
• 2.3 總結(jié)27-28
• 第三章 建立數(shù)學(xué)模型28-43
• 3.1 四旋翼飛行原理28-29
• 3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算29-31
• 3.3 四旋翼的數(shù)學(xué)模型31-34
• 3.3.1 坐標(biāo)系的定義31-32
• 3.3.2 坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換32
• 3.3.3 地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換32-34
• 3.4 四旋翼機(jī)體建模34-39
• 3.4.1 微分方程34-38
• 3.4.2 運(yùn)動(dòng)方程解耦38-39
• 3.5 線性化39-43
• 3.5.1 泰勒展開法39-40
• 3.5.2 工具箱提取法40-43
• 第四章 控制器設(shè)計(jì)43-48
• 4.1 魯棒設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介43-44
• 4.2 H_∞混合靈敏度控制方法44-48
• 第五章 仿真48-52
• 5.1 仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介48
• 5.2 綜合仿真48-49
• 5.3 仿真結(jié)果分析49-51
• 5.4 總結(jié)51-52
• 第六章 結(jié)論52-54
• 6.1 結(jié)論52
• 6.2 展望52-54
• 參考文獻(xiàn)54-59
• 碩士期間發(fā)表的論文及學(xué)術(shù)成果59-60
• 發(fā)表論文59-60
• 致謝60-61

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1 ;未來10年將生產(chǎn)5448架軍用旋翼機(jī)[J];航空維修與工程;2005年01期

2 陸洋;李建波;朱清華;;自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)配平及操縱響應(yīng)特性[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2008年05期

3 道格拉斯·羅伊斯;趙;;民用旋翼機(jī)市場(chǎng)前景不容樂觀[J];國際航空;2010年03期

4 徐慧;張伯虎;董文柱;石婷;;多功能無人旋翼機(jī)在公共安全方面的應(yīng)用[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2011年20期

5 馮磊;佟勇;宋秀峰;;旋翼飛行器概述[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào);2012年29期

6 金德余;;航宇18-A型旋翼機(jī)[J];直升機(jī)技術(shù);1994年03期

7 蔡汝鴻;;潛水艇載風(fēng)箏式旋翼機(jī)[J];直升機(jī)技術(shù);1994年04期

8 申斌;吳一波;林冬生;;旋翼機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用[J];科技傳播;2013年23期

9 蔡汝鴻;;卡特旋翼機(jī)(三)——精彩紛呈的卡特旋翼機(jī)[J];航空知識(shí);2005年06期

10 李長江;;新穎奇特的旋翼機(jī)[J];航空知識(shí);1999年04期

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1 唐正飛;;旋翼飛行器及其系統(tǒng)發(fā)展研究[A];航空科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告（2010-2011）[C];2011年

2 章洪;;新概念“直升旋翼機(jī)”[A];第六屆中國科學(xué)家論壇論文匯編[C];2007年

3 ;旋翼無人機(jī)參賽報(bào)告[A];2004中國空中機(jī)器人大賽論文匯編[C];2004年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張廣林 張慧;世界旋翼機(jī)市場(chǎng)預(yù)測(cè)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和啟示[N];中國航空?qǐng)?bào);2008年

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3 本報(bào)記者 胡海波;自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)：會(huì)飛的“風(fēng)車”[N];中國民航報(bào);2011年

4 高翔;美陸軍基于亞太戰(zhàn)略評(píng)估其旋翼機(jī)計(jì)劃[N];中國航空?qǐng)?bào);2012年

5 黎時(shí);1923：旋翼機(jī)問世[N];中國航空?qǐng)?bào);2003年

6 姜曙光;未來十年生產(chǎn)5448架軍用旋翼機(jī)[N];中國航空?qǐng)?bào);2004年

7 姜曙光;蒂爾預(yù)測(cè)未來十年旋翼機(jī)市場(chǎng)[N];中國航空?qǐng)?bào);2004年

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1 王超;電控旋翼直升機(jī)氣動(dòng)特性研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年

2 朱清華;自轉(zhuǎn)旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

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4 魏鵬;旋翼非定常流場(chǎng)的黏性渦數(shù)值模擬方法及其混合方法的研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

5 肖中云;旋翼流場(chǎng)數(shù)值模擬方法研究[D];中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心;2007年

6 彭程;共軸八旋翼無人飛行器姿態(tài)與航跡跟蹤控制研究[D];吉林大學(xué);2015年

7 鄧寅U，

本文編號(hào)：540248