微小型四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、四旋翼飛行器機(jī)動靈活、可懸停、可垂直起降，通過搭載的視覺傳感器可完成偵查和輔助軍事打擊等任務(wù)，也可以搭載其他設(shè)備完成相應(yīng)的任務(wù)，已經(jīng)被應(yīng)用到軍事和民用領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了一類微型化的四旋翼飛行器，與目前應(yīng)用較多的四旋翼飛行器相比，其體積更小，隱蔽性更強(qiáng)，也更易受到干擾，且有限的負(fù)載能力對姿態(tài)解算方法提出更高的要求。本文主要研究了微小型四旋翼飛行器的姿態(tài)解算和多種控制算法，為后續(xù)的開發(fā)應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。四旋翼飛行器是典型的欠驅(qū)動

2、非線性系統(tǒng)，狀態(tài)量之間存在耦合關(guān)系。
　　本文利用歐拉角建立飛行器的數(shù)學(xué)模型，采用基于四元素的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣更新算法進(jìn)行姿態(tài)解算。結(jié)合飛行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實際工作情況，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，并將其劃分為全驅(qū)動系統(tǒng)和欠驅(qū)動系統(tǒng)。全驅(qū)動系統(tǒng)包括偏航和高度系統(tǒng)；欠驅(qū)動系統(tǒng)包括水平位置和俯仰角、滾轉(zhuǎn)角系統(tǒng)。四旋翼飛行器的航姿系統(tǒng)由 MEMS陀螺儀、加速度計和磁力計組成?？紤]到傳感器特性，利用更加簡單的互補(bǔ)濾波算法取代傳統(tǒng)的卡爾曼濾波器進(jìn)行狀態(tài)估

3、計，節(jié)約了處理器資源。設(shè)計了位置和姿態(tài)的雙環(huán)PID控制器，在室內(nèi)無擾動的情況下，控制器性能較好。微小型四旋翼飛行器更易受到擾動，本文設(shè)計了兩類魯棒性更強(qiáng)的滑?？刂破?，分別是二階滑?？刂破骱徒K端滑?？刂破?。兩種控制器保證偏航角和高度快速收斂于期望值，然后將欠驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一種級聯(lián)形式，通過狀態(tài)誤差的組合構(gòu)建滑模面。整個系統(tǒng)利用李雅普洛夫原理證明穩(wěn)定性。通過仿真對比，滑?？刂破骺垢蓴_能力更強(qiáng)，二階滑?？刂破鹘鉀Q了滑模面的抖振問題，終端滑?？?/p>

4、制器在保持了上述滑?？刂破鲀?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高控制精度，響應(yīng)速度且抑制了系統(tǒng)抖振。設(shè)計了一種微小型四旋翼飛行器，完成了主控板的硬件電路設(shè)計及程序的編寫。實現(xiàn)本文提出的姿態(tài)估計和多種控制算法，進(jìn)行了室內(nèi)穩(wěn)定飛行和側(cè)向風(fēng)擾動下的飛行實驗，結(jié)合開源上位機(jī)，對比各種算法的實際效果，體現(xiàn)出本文提出的滑模控制算法的優(yōu)越性能。微小型四旋翼飛行器更加靈活，本文在平穩(wěn)飛行的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了倒立飛行。最后，為了更好地應(yīng)用此類飛行器，提出了幾點(diǎn)今后的研究方向