本文關(guān)鍵詞：基于微慣性組合的旋翼飛行器姿態(tài)檢測(cè)及控制算法研究

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【摘要】：旋翼飛行器包含了機(jī)械結(jié)構(gòu)清晰、便捷的操控性能、能夠垂直起落、獨(dú)立飛行以及自主降落等幾大特性,使之大規(guī)模的出現(xiàn)在了軍事范疇以及商貿(mào)范疇。本課題針對(duì)于旋翼飛行器在姿態(tài)控制模塊中存在著的對(duì)振動(dòng)因子的抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差以及低成本范疇使用率低等問題,研究開發(fā)出一套革新的基于低成本慣性測(cè)量單元的旋翼飛行器姿態(tài)檢測(cè)及飛行控制體系。課題研究?jī)?nèi)容主要包含了采用低成本MEMS慣性傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)飛行器的狀態(tài),首先對(duì)低成本MEMS慣性傳感器做快速誤差標(biāo)定分析,利用改進(jìn)型卡爾曼濾波的多個(gè)數(shù)據(jù)源信息融合技術(shù)以及基于遺傳算法的PID控制方案的姿態(tài)檢測(cè)控制器解算出無人機(jī)的姿態(tài)信息,最后經(jīng)由飛行器驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)的反饋實(shí)現(xiàn)理想飛行效果。本課題所研究的這套算法應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)中的姿態(tài)解算與姿態(tài)控制模塊當(dāng)中。姿態(tài)解算單元是對(duì)被測(cè)載體的姿態(tài)和方位數(shù)據(jù)完成處理,姿態(tài)控制單元是調(diào)整輸入量來變更無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向以及姿態(tài)。同國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有科研成果做比對(duì),本文的主要研究成果體現(xiàn)在:首先針對(duì)低成本MEMS-IMU模塊,開發(fā)了快速標(biāo)定算法。經(jīng)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到,低成本慣性測(cè)量單元的零偏時(shí)變特性不突出,所以就系統(tǒng)固定零偏實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)快速標(biāo)定;其次本系統(tǒng)在姿態(tài)解算單元中提出了一種創(chuàng)新的微慣性單元信息整合的改進(jìn)型卡爾曼濾波姿態(tài)確定算法,經(jīng)由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠得出,優(yōu)化后的算法能提升濾波的效率,得到更具可靠性的載體姿態(tài)數(shù)據(jù)值。最后本系統(tǒng)在控制算法單元中提出了一種基于遺傳算法的PID整定控制器的控制策略。通過改進(jìn)型卡爾曼濾波算法對(duì)組合慣性單元檢測(cè)到的數(shù)據(jù)完成整合處理,得到多旋翼無人機(jī)在飛行狀態(tài)中的真實(shí)數(shù)值;經(jīng)由這些準(zhǔn)確度高的數(shù)值,構(gòu)建控制器的動(dòng)力學(xué)的模型,求出控制器的傳遞函數(shù);之后,運(yùn)用遺傳算法對(duì)控制器PID參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)解尋找,獲取最佳的PID控制權(quán)重值。
【關(guān)鍵詞】：四軸飛行器 低成本 MEMS 姿態(tài)解算 控制算法
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(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5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 課題的研究背景和意義11-13
• 1.1.1 課題研究背景11-12
• 1.1.2 課題研究?jī)?nèi)容與意義12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 微慣性測(cè)量單元的發(fā)展及現(xiàn)狀14-15
• 1.2.2 姿態(tài)估計(jì)算法的現(xiàn)狀及趨勢(shì)15-16
• 1.2.3 控制算法的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)16-18
• 1.3 論文結(jié)構(gòu)18-20
• 第二章 理論基礎(chǔ)介紹20-30
• 2.1 MEMS傳感器技術(shù)20-22
• 2.1.1 微機(jī)械陀螺儀20-21
• 2.1.2 微機(jī)械加速度計(jì)21-22
• 2.2 卡爾曼濾波22-24
• 2.2.1 濾波方程22-23
• 2.2.2 連續(xù)系統(tǒng)的離散化及推導(dǎo)23-24
• 2.3 SINS原理24-27
• 2.3.1 坐標(biāo)系定義及變換25-26
• 2.3.2 四元數(shù)與姿態(tài)更新26-27
• 2.4 PID控制27-29
• 2.4.1 PID控制算法28
• 2.4.2 數(shù)字PID控制器28-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 第三章 旋翼飛行器模型建立及分析30-45
• 3.1 旋翼無人機(jī)飛行原理及建模30-34
• 3.1.1 四旋翼無人機(jī)飛行原理30-32
• 3.1.2 四旋翼飛行器受力分析及運(yùn)動(dòng)模型32-34
• 3.2 微慣導(dǎo)器件誤差研究以及建模34-44
• 3.2.1 加速度計(jì)誤差模型34-36
• 3.2.2 加速度計(jì)標(biāo)定算法的構(gòu)造36-39
• 3.2.3 陀螺儀誤差模型39-41
• 3.2.4 陀螺儀標(biāo)定算法的構(gòu)造41-44
• 3.3 本章小結(jié)44-45
• 第四章 姿態(tài)解算算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)45-55
• 4.1 整體實(shí)現(xiàn)方法45
• 4.2 姿態(tài)角估計(jì)45-47
• 4.2.1 陀螺儀姿態(tài)更新算法45-46
• 4.2.2 加速度和磁力計(jì)定姿算法46-47
• 4.3 改進(jìn)型卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)源整合47-50
• 4.4 定姿的仿真分析50-54
• 4.5 本章小結(jié)54-55
• 第五章 姿態(tài)控制算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)55-65
• 5.1 整體實(shí)現(xiàn)方法55-56
• 5.2 基于簡(jiǎn)化模型的串級(jí)PID控制算法56-58
• 5.3 基于遺傳算法PID設(shè)計(jì)58-61
• 5.4 控制器仿真分析61-64
• 5.5 本章小結(jié)64-65
• 第六章 系統(tǒng)方案與硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)65-78
• 6.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)65
• 6.2 硬件設(shè)計(jì)及成本控制65-68
• 6.3 軟件流程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)68-70
• 6.4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)70-77
• 6.4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述70-73
• 6.4.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)73-76
• 6.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析76-77
• 6.5 本章小結(jié)77-78
• 第七章 總結(jié)及展望78-80
• 7.1 全文總結(jié)78-79
• 7.2 工作展望79-80
• 致謝80-81
• 參考文獻(xiàn)81-85

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本文編號(hào)：602224