發(fā)布時間：2020-06-19 23:56

【摘要】：四旋翼飛行器作為當前一種新型無人機,具有體積小、靈活度高、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等特點,在民用和軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,自問世以來,便引起了世人的廣大興趣。而作為一個受控對象,四旋翼飛行器是一種欠驅(qū)動、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng),具有較大的控制難度。本文針對四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點,提出了一種設(shè)計方案,并通過計算機仿真和實際飛行試驗驗證該方案的有效性。本文的研究重點主要有:(1)四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型的建立。首先根據(jù)飛行器的飛行原理,選用地理坐標系和機體坐標系作為飛行器的參考坐標系,推導(dǎo)四元數(shù)法求取飛行器的歐拉角,最后根據(jù)空氣動力學(xué)和剛體運動學(xué)推導(dǎo)出四旋翼飛行器的運動學(xué)方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程。(2)飛行器姿態(tài)的解算。針對目前旋翼飛行器在高機動和復(fù)雜飛行環(huán)境下測算的姿態(tài)相對誤差較大的問題,提出了基于多傳感器信息融合的飛行姿態(tài)解算。首先通過卡爾曼濾波算法對陀螺儀輸出角速率進行噪聲補償,提高角速率輸出精度,然后根據(jù)各傳感器的噪聲頻率特性,將加速度計和磁強計所測量的角度信息與濾波之后的角速率進行互補融合求取四元數(shù),通過四元數(shù)與姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲取飛行器姿態(tài)信息,最后通過仿真和三軸轉(zhuǎn)臺實驗證明飛行器姿態(tài)解算算法的有效性。(3)飛行器硬件的選擇及設(shè)計。詳細論述了飛行器各個組成硬件模塊的設(shè)計思路。其中選用STM32F103C8T6作為飛行器的主控芯片,使用斬波電路對電源電壓進行轉(zhuǎn)換,為了降低飛行器的工作噪聲和保證系統(tǒng)的使用壽命,使用永磁無刷直流電機作為飛行器的動力單元,并采用無位置傳感器控制算法對電機進行驅(qū)動。(4)姿態(tài)、位置控制器的設(shè)計。在建立四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型的前提下,設(shè)計了姿態(tài)PID控制器,并在此控制器基礎(chǔ)上,結(jié)合了模糊控制算法,使姿態(tài)控制器能夠適應(yīng)飛行器系統(tǒng)參數(shù)的變化,實現(xiàn)姿態(tài)控制器的自適應(yīng)。設(shè)計了位置PD控制器,使飛行器能夠跟蹤設(shè)定航線。最后通過實際飛行實驗驗證控制器的正確性。
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279
【圖文】：

該款無人機仍然無法實現(xiàn)長時間飛行。956 年美國陸軍作戰(zhàn)部研制了一款 X4E，它的有效載重 200kg,并實現(xiàn)，但飛行性能依然不能達到美國軍方要求。后數(shù)十年，旋翼飛行器一直沒有取得重要突破。但近年來，隨著微機術(shù)、飛行控制理論研究、全球定位系統(tǒng)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航等技術(shù)不斷行器又迎來了新的春天。隨著全球科研單位對旋翼無人機研究的深成果不斷涌現(xiàn)。國 AeroVironment 公司開發(fā)了一款名為“Black window”小型旋翼飛行量只有僅僅 50g，其中一半為電池的質(zhì)量，飛行時間可達 20min，最為 100m，并能實時傳輸 1800m 外的畫面回基站，還能夠在惡劣天氣飛行。夕法尼亞大學(xué)的 Yash Mulgaonkar 教授團隊受蜜蜂的啟發(fā)，開發(fā)一款器 Bee。該團隊在該飛行器上安裝一項避震結(jié)構(gòu)，飛行器在與障礙物然能夠正常飛行。這款飛行器并不需要添加復(fù)雜的避障系統(tǒng)，就能夠雜飛行環(huán)境下正常工作，在救災(zāi)搶險中有著光明的應(yīng)用前景[8]。

圖 1.2 Scamp 四旋翼省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)了一套旋翼無人機的控制算法，可以實現(xiàn)飛行。這套算法采用分散控制策略，在出現(xiàn)單點故障的情況下，飛以實現(xiàn)正常的工作，故該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。由于每個飛行器外部整體的部分信息，所以只需相對較小的計算量，便能完成相當具有很好的拓展性。佛大學(xué)改進了四旋翼飛行器的機械結(jié)構(gòu)和飛行控制算法，利用光流行器的自主避障，并成功開發(fā)了具備自主起飛、降落等功能的 OS4 該機型驗證了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和滑�？刂频瓤刂祁I(lǐng)域的適用性[10]。arrot 是一家法國老牌微型飛行器設(shè)計和制造商，目前開發(fā)了一款應(yīng)的旋翼無人機 Bluegrass。這款無人機搭配了一枚高清攝像頭和高，成像儀可以對人眼不可見的紅外光進行成像，可用來估計農(nóng)作植，評價病蟲害對農(nóng)作物造成的經(jīng)濟損失和預(yù)估作物的產(chǎn)量。Blueg高的續(xù)航能力，一次充電可連續(xù)飛行 35 分鐘，能覆蓋將近 10 畝的

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