本文關鍵詞：四翼飛行器姿態(tài)控制算法研究

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【摘要】：四翼飛行器是一種機體具有對稱結構的飛行器,在兩個垂直方向上共有四個旋翼,飛行器擁有四個輸入控制量,六個運動自由度,是一種典型的非線性系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)飛行器,四翼飛行器具有良好的垂直起降、懸停、機動、姿態(tài)保持性能等優(yōu)點,因此被廣泛應用于軍事和民用領域。加之近幾年電子技術和控制技術等相關技術的飛速發(fā)展,使得國內外出現(xiàn)越來越多研究成果。四翼飛行器因其獨特的構造,使其控制系統(tǒng)復雜,本文對四翼飛行器進行建模分析,構造飛行器的動力學方程,研究飛行器的姿態(tài)解算和控制系統(tǒng)算法。 為構建飛行器的狀態(tài)模型,本文第二部分研究了飛行器的坐標系統(tǒng),建立起飛行器在機體坐標系和導航坐標系下的姿態(tài)描述方法,以及姿態(tài)在兩種坐標系下的轉換,分別使用了歐拉角和四元數(shù)進行研究表述；進而分析飛行器六個自由度的飛行原理；接著研究了飛行器的運動學模型,主要是為了完成飛行器狀態(tài)方程的構建。然后對飛行器的硬件模型進行分析,飛行器的硬件主要包括,飛行器主控模塊,姿態(tài)檢測模塊,電機模塊和通信接口模塊。這一部分主要完成了對飛行器機體模型的研究,為下一部分的飛行器姿態(tài)解算和姿態(tài)控制打下基礎。 第三部分研究了飛行器的濾波姿態(tài)計算算法,這些算法有卡爾曼濾波算法,互補濾波算法,并給出了三種算法在本飛行器模型下的控制器設計實現(xiàn)過程,同時研究了基于四元數(shù)的飛行器姿態(tài)解算算法,包括四元數(shù)互補濾波算法,和梯度下降算法,同樣給出了本飛行器模型下的兩種算法的實現(xiàn)過程,為下一步的飛行器姿態(tài)控制算法打下基礎。 第四部分分析了飛行器的姿態(tài)控制算法,也是本文的重點。飛行器的姿態(tài)控制算法有很多種,這里研究了PID姿態(tài)控制算法,LQR控制算法、Backstepping控制算法。研究了算法的原理,并給出了三種算法在第二部分建立起的飛行器模型下的控制器設計過程,同時在研究分析這三種控制算法的基礎上設計一種組合控制方法,這種控制方法能充分利用被組合的控制方法的各自優(yōu)勢實現(xiàn)控制系統(tǒng)各方面的最優(yōu)化。 第五部分在第四部分的基礎上在MATLAB里對三種控制算法進行飛行器姿態(tài)響應仿真實驗,并比較了仿真結果,驗證三種控制方法的性能,分析了三種算法的優(yōu)劣。同時基于對這三種控制算法的研究設計了一種基于PID控制和滑�？刂频慕M合控制算法,并給出這種算法在MATLAB里面的仿真結果,驗證算法的性能。
【關鍵詞】：四翼飛行器 姿態(tài)解算 PID Backstepping 滑�？刂�
【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V249
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• Contents11-14
• 插圖清單14-16
• 附表清單16-17
• 1 概述17-23
• 1.1 選題背景及研究意義17-18
• 1.1.1 選題背景17-18
• 1.1.2 研究意義18
• 1.2 發(fā)展歷史及國內外研究現(xiàn)狀18-21
• 1.2.1 發(fā)展歷史18-21
• 1.2.2 國內外研究現(xiàn)狀21
• 1.3 本文主要的工作21-22
• 1.4 章節(jié)安排22-23
• 2 四翼飛行器模型分析23-43
• 2.1 引言23
• 2.2 四翼飛行器姿態(tài)表示方法23-28
• 2.2.1 四翼飛行器坐標系的建立23-24
• 2.2.2 四翼飛行器位置姿態(tài)描述24-27
• 2.2.3 四翼飛行器姿態(tài)表示方法27-28
• 2.3 四翼飛行器飛行原理28-31
• 2.4 飛行器運動學模型31-36
• 2.5 四翼飛行器主要硬件及電路組成36-41
• 2.5.1 主控制器模塊37-38
• 2.5.2 姿態(tài)傳感器38-40
• 2.5.3 通信接口40-41
• 2.5.4 電機模塊41
• 2.6 飛行器控制系統(tǒng)流程41-42
• 2.7 本章小結42-43
• 3 飛行器姿態(tài)解算43-55
• 3.1 引言43
• 3.2 數(shù)據(jù)濾波姿態(tài)解算方法43-47
• 3.2.1 卡爾曼濾波43-45
• 3.2.2 補濾波45-47
• 3.3 基于四元數(shù)的姿態(tài)解算47-53
• 3.3.1 四元數(shù)互補濾波姿態(tài)解算算法47-50
• 3.3.2 四元數(shù)梯度下降姿態(tài)解算算法50-53
• 3.4 本章小結53-55
• 4 飛行器姿態(tài)控制算法55-69
• 4.1 引言55-56
• 4.2 PID控制方法56-60
• 4.2.1 PID控制原理56-58
• 4.2.2 PID控制系統(tǒng)設計58-60
• 4.3 Backstepping控制算法60-66
• 4.3.1 Backstepping控制原理60-63
• 4.3.2 基于Backstepping的飛行器控制系統(tǒng)設計63-66
• 4.4 滑模控制方法66-68
• 4.4.1 滑�？刂圃�66-67
• 4.4.2 基于滑�？刂品椒ǖ娘w行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設計67-68
• 4.5 組合控制方法68
• 4.6 本章小結68-69
• 5 系統(tǒng)仿真69-75
• 5.1 引言69
• 5.2 PID控制方法仿真69-70
• 5.3 Backstepping控制方法仿真70-71
• 5.4 滑�？刂品抡�71-72
• 5.5 組合控制仿真72-73
• 5.6 本章小結73-75
• 6 總結與展望75-77
• 6.1 總結75-76
• 6.2 展望76-77
• 參考文獻77-81
• 致謝81-83
• 作者簡介及讀研期間主要科研成果83

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

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本文編號：710442