小型多旋翼無人機飛行控制器的研制.pdf

1、多旋翼飛行器以其機械結構簡單、成本低、操控靈活、等優(yōu)點廣泛應用于航拍、空中測繪、電力巡線、空中偵察領域，逐漸成為微型無人機中的研究熱點。但是多旋翼無人機是一種高階、非線性、強耦合的欠驅系統(tǒng)，控制技術是該領域一個重要的研究方向。本文以四旋翼飛行器為對象，做了如下研究工作：
　　首先，本文從四旋翼無人機的結構出發(fā)，分析了其運動特性和控制原理。建立了“電機-槳”系統(tǒng)準確詳細的數(shù)學模型，建模中考慮電機電感、電阻、槳的固定阻力矩、阻尼、風阻

2、，轉子陀螺效應，通過實驗測算出了相關參數(shù)。
　　根據(jù)牛頓歐拉公式，推導了線運動方程和角運動方程。針對現(xiàn)有公式的局限性，首次提出計算航向角運動的準確公式并根據(jù)該公式首次推導出了多旋翼無人機未做簡化的完整角運動方程。結合“電機-槳”系統(tǒng)動力學方程和機體動力學方程，建立了完整的描述從電機電壓到機體姿態(tài)角再到機體線運動的微分方程。
　　其次，分析了三種無人機姿態(tài)傳感器測量角度的原理及各自在測量姿態(tài)數(shù)據(jù)時的優(yōu)缺點，根據(jù)各傳感器特點設計

3、了合理、高效的互補濾波器用于得到校正后的旋轉矩陣以及姿態(tài)角，推導出了校正之后的角速度信息。
　　根據(jù)無陀螺捷聯(lián)慣導測姿思想，創(chuàng)新地提出二十四加速度計測量方案，推導了每個加速度的測量公式。根據(jù)該公式推導了角加速度信息和角速度信息，這是多旋翼無人機領域中首次通過測量方法得到角加速度信息，試驗結果表明相對于傳統(tǒng)微分方案本方案得到的數(shù)據(jù)具有更低的噪聲和更小的相位延遲。
　　然后，介紹了自抗擾控制器（ADRC）各個模塊，設計了基于AD

4、RC的姿態(tài)控制器，針對多旋翼首次推導出了ADRC中關鍵參數(shù)（控制增益）的數(shù)學公式，詳細解釋了控制器中各參數(shù)的物理意義。使用Matlab M文件編寫仿真程序，仿真結果顯示，基于 ADRC的無人機姿態(tài)控制具有響應快速、無超調、無穩(wěn)態(tài)誤差的特點，表明設計的控制器具有良好的控制效果。分析了滑模變結構控制器（SMC）的原理以及常見抑制抖振方法的優(yōu)缺點，采用邊界層法設計了基于SMC的姿態(tài)控制器。仿真結果表明，系統(tǒng)響應迅速，超調量小，滿足控制要求。<