本文關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī)LPV飛行控制

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【摘要】：近年來,由于多旋翼無人機(jī)具有懸停、垂直起降的功能,并且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本低廉,已經(jīng)在無人飛行器中成為熱門的飛行平臺。目前,多旋翼無人機(jī)平臺以四旋翼無人機(jī)為主,但是對于室外飛行帶負(fù)載的需求,四旋翼無人機(jī)的動力、續(xù)航和抗干擾性無法滿足。另外,在對多旋翼無人機(jī)的飛行控制研究中,建立的數(shù)學(xué)模型基于懸停工作點附近做了較多的簡化,忽略了空氣阻力,重心位置等,不能體現(xiàn)出前飛速度變化時模型的變化。因此,本文設(shè)計了一套八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)平臺,充分考慮實際飛行狀態(tài),建立了對應(yīng)的非線性數(shù)學(xué)模型,以前飛速度為變參數(shù),對各個工作點線性化后的LPV (Linear Parameter Varying)模型進(jìn)行分析、設(shè)計相應(yīng)的控制器、完成增益調(diào)度并仿真驗證。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計、開發(fā)飛行控制和任務(wù)調(diào)度軟件系統(tǒng)并進(jìn)行飛行控制實驗驗證。主要工作內(nèi)容和貢獻(xiàn)包括：首先,根據(jù)實際項目要求以及數(shù)學(xué)建模、工程測試的需求,設(shè)計開發(fā)了完整可靠的八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)平臺和配套的帶槳葉電機(jī)測試平臺。八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)平臺包含核心硬件和軟件系統(tǒng),測試平臺可用于篩選和判斷電機(jī)、槳葉特性,測量、遠(yuǎn)程顯示、存儲帶槳電機(jī)轉(zhuǎn)動時所有輸入輸出數(shù)據(jù),其離線數(shù)據(jù)可以用來建立電機(jī)的輸入輸出模型。其次,對八旋翼無人機(jī)平臺建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合空氣動力學(xué)理論和實際測量的數(shù)據(jù),完成電機(jī)、旋翼動力學(xué)、機(jī)體動力學(xué)的建模,并建立平臺整體的非線性系統(tǒng)模型,并在一定前進(jìn)比范圍內(nèi),以前飛速度為變參數(shù),在不同前飛速度工作點進(jìn)行線性化獲得八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)的LPV模型,分析模型在前飛速度變化時系統(tǒng)特性的變化,在各個工作點針對內(nèi)環(huán)的姿態(tài)角和外環(huán)的速度設(shè)計串級PID控制器、完成增益調(diào)度和仿真驗證,并與未進(jìn)行增益調(diào)度的控制效果進(jìn)行對比。另外,為了更好的完成復(fù)雜完整的飛行任務(wù),降低八旋翼無人機(jī)的操作復(fù)雜度,本文對無人機(jī)實際飛行中的飛行模式、任務(wù)調(diào)度進(jìn)行了定義和軟件實現(xiàn),對無人機(jī)自主航線飛行任務(wù)進(jìn)行軟件設(shè)計、開發(fā),首先在仿真中實現(xiàn)自主航線飛行,然后將上層的飛行任務(wù)調(diào)度和底層控制結(jié)合,建立一套完善的飛行控制軟件系統(tǒng)。最后在硬件平臺和軟件系統(tǒng)完善的基礎(chǔ)上,首先在半實物仿真平臺上進(jìn)行半實物仿真,以實時的DSPACE仿真系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的運算,驗證軟件邏輯和策略的可靠性,檢驗控制器的控制效果,在獲得理想的半實物仿真效果后,將硬件和軟件統(tǒng)一安裝和轉(zhuǎn)移到八旋翼無人機(jī)的機(jī)體上,以GPS/INS作為組合導(dǎo)航方案,設(shè)計了多個實際飛行實驗,檢驗了各種飛行模式下,無人機(jī)飛行控制和航線飛行的效果。并作為項目樣機(jī),在室外實驗場地實現(xiàn)了相對高度800m的自主飛行并準(zhǔn)確回收的項目任務(wù),控制穩(wěn)定,續(xù)航、動力、抗風(fēng)效果滿足要求。
【關(guān)鍵詞】：多旋翼無人機(jī) 平臺設(shè)計 LPV模型 PID串級控制 增益調(diào)度 任務(wù)調(diào)度
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 多旋翼無人機(jī)研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3 多旋翼無人機(jī)飛行控制研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3.1 經(jīng)典控制方法16-17
• 1.3.2 非線性控制方法17
• 1.3.3 智能控制方法17
• 1.4 課題來源17-18
• 1.5 論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排18-20
• 1.5.1 論文主要內(nèi)容18-19
• 1.5.2 論文章節(jié)安排19-20
• 第二章 八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)平臺設(shè)計20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 硬件平臺20-27
• 2.2.1 核心硬件20-25
• 2.2.2 帶載設(shè)備25
• 2.2.3 航電系統(tǒng)集成25-26
• 2.2.4 性能評估26-27
• 2.3 軟件系統(tǒng)27-32
• 2.3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)27-28
• 2.3.2 機(jī)載軟件系統(tǒng)28-31
• 2.3.3 地面站軟件系統(tǒng)31-32
• 2.4 本章小結(jié)32-34
• 第三章 八旋翼無人機(jī)系統(tǒng)LPV模型和控制34-68
• 3.1 引言34
• 3.2 坐標(biāo)系和八旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡介34-40
• 3.2.1 坐標(biāo)系定義34-39
• 3.2.2 八旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡介39-40
• 3.3 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)40-52
• 3.3.1 電機(jī)模型42-44
• 3.3.2 旋翼動力學(xué)建模44-50
• 3.3.3 機(jī)體動力學(xué)建模50-52
• 3.4 LPV系統(tǒng)模型52-61
• 3.4.1 LPV模型52-53
• 3.4.2 前飛配平值計算和線性化53-55
• 3.4.3 懸停工作點55-58
• 3.4.4 前飛工作點58-61
• 3.5 控制器設(shè)計61-67
• 3.5.1 懸停工作點62-65
• 3.5.2 整體調(diào)度65-67
• 3.6 本章小結(jié)67-68
• 第四章 飛行任務(wù)調(diào)度68-76
• 4.1 引言68
• 4.2 飛行控制和調(diào)度軟件結(jié)構(gòu)68-73
• 4.2.1 任務(wù)管理層69-70
• 4.2.2 動作規(guī)劃層70-73
• 4.2.3 運動控制層73
• 4.3 航線飛行仿真73-75
• 4.4 本章小結(jié)75-76
• 第五章 八旋翼無人機(jī)飛行控制實驗76-88
• 5.1 引言76
• 5.2 半實物仿真76-77
• 5.3 室外飛行實驗77-86
• 5.3.1 懸停實驗78-83
• 5.3.2 自主航線實驗83-86
• 5.4 本章小結(jié)86-88
• 第六章 總結(jié)與展望88-90
• 6.1 論文總結(jié)88-89
• 6.2 后續(xù)工作展望89-90
• 參考文獻(xiàn)90-96
• 作者簡介96
• 作者攻讀碩士期間完成的科研成果96

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 岳基隆;張慶杰;朱華勇;;微小型四旋翼無人機(jī)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J];電光與控制;2010年10期

2 Ashfaq Ahmad Mian;;Modeling and Backstepping-based Nonlinear Control Strategy for a 6 DOF Quadrotor Helicopter[J];Chinese Journal of Aeronautics;2008年03期

3 辛宏，高正;直升機(jī)渦環(huán)狀態(tài)速度邊界的試驗研究[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報;1995年04期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 云昭潔;小型無人直升機(jī)飛行控制與任務(wù)調(diào)度[D];浙江大學(xué);2012年

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本文編號：926647