室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無人機飛行控制技術研究.pdf

1、四旋翼無人機是一種具備垂直起降和懸停功能，并具有優(yōu)良低速飛行性能的無人駕駛旋翼飛行器。與常規(guī)布局無人直升機相比，四旋翼無人機還具有結構緊湊、操控簡單，維護方便，使用成本低等優(yōu)勢。由于這些特點和優(yōu)勢，四旋翼無人機技術研究近年來受到了國內(nèi)外學術界越來越多的關注，并廣泛應用于軍事和民用領域。論文圍繞四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)問題，以實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的自主飛行為目標，著重研究了數(shù)學建模，航向姿態(tài)參考系統(tǒng)，基于干擾觀測器的飛行控制，飛行控

2、制系統(tǒng)軟硬件設計與實現(xiàn)以及地面控制站開發(fā)等內(nèi)容。論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，詳細分析了作用在四旋翼無人機上的力和力矩，并基于牛頓——歐拉原理建立了十二狀態(tài)非線性動力學方程。通過實驗的方法確定了數(shù)學模型中的機體轉動慣量和旋翼升力系數(shù)等參數(shù)，同時給出了旋翼轉速與PWM信號及電壓之間的關系?？紤]到工程實現(xiàn)和控制器設計需要，采用小擾動線性化方法對非線性動力學方程進行線性化，得到了以傳遞函數(shù)表示的線性數(shù)學模型。
　　然后，設計

3、了基于低成本微機電系統(tǒng)傳感器和四元數(shù)擴展卡爾曼濾波算法的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)。針對航姿系統(tǒng)易受干擾加速度影響而導致精度變差的問題，設計了具有干擾加速度修正的四元數(shù)擴展卡爾曼濾波航姿估計算法，并在TMS320F28335數(shù)字信號控制器上進行了實現(xiàn)。與普通四元數(shù)擴展卡爾曼濾波算法的比較實驗結果表明，具有干擾加速度修正的航姿估計算法具有更高的精度，能夠滿足四旋翼無人機室內(nèi)飛行控制系統(tǒng)的需求。
　　其次，針對四旋翼無人機在室內(nèi)飛行時容易受到內(nèi)

4、部和外部干擾的問題，先后設計了兩種基于干擾觀測器的飛行控制方法。先是采用串級滑?？刂品椒▽λ男頍o人機進行了姿態(tài)控制，并使用非線性干擾觀測器對外部干擾進行估計。仿真結果表明，滑模姿態(tài)控制器具有良好的姿態(tài)控制性能和抗干擾能力。針對傳統(tǒng)干擾觀測器干擾估計精度有限的問題，提出了基于線性雙干擾觀測器的四旋翼無人機軌跡跟蹤控制策略，并給出了基于線性雙干擾觀測器的閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明。同時，設計了基于Smith預測補償器的改進PID位置控制律。

5、仿真實驗表明，基于線性雙干擾觀測器的跡跟蹤控制策略是有效的。
　　接著，對室內(nèi)環(huán)境下的四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)進行了軟硬件設計與實現(xiàn)。硬件方面，重點設計了以TMS320F28335為主控芯片的飛行控制主板，完成了原理圖繪制和PCB設計。軟件方面，設計了基于DSP/BIOS嵌入式實時操作系統(tǒng)的飛行控制軟件系統(tǒng)，并對主要功能模塊進行了詳細設計。為滿足飛行控制系統(tǒng)調試和運行需求，還開發(fā)了基于MFC的地面控制站。
　　最后，進行了四