四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计

论文摘要

四旋翼无人飞行器是一种新型的可垂直起降的小型无人机,它通过改变四个对称分布的旋翼转速来调整姿态与位置,具有可悬停、机动性好、结构简单等多种优点。四旋翼无人飞行器的研究无论是从国防战略角度,还是从民用角度来看,都有着十分深远的意义,具有十分广阔的应用前景。本文以四旋翼无人飞行器为研究对象,首先,介绍了四旋翼飞行器控制系统研究的基本概念和基础知识,对四旋翼无人飞行器进行力学分析,并根据系统实际结构建立其动力学方程,得到系统传递函数,通过对传递函数做适当简化得到了系统仿真模型。其次,根据系统性能和功能的要求对四旋翼飞行器的机载主控制系统与地面站系统进行了设计,构建了基于DSP的具有较高性能和较小尺寸的飞行控制计算机硬件平台；设计了基于PID控制策略的飞行控制律,确保了控制参数调整的简单、便捷,符合课题实际应用要求。第三,建立了四旋翼飞行器的控制系统构架,设计了基于互补滤波器的姿态求解器,讨论了四旋翼飞行器的飞行控制问题,提出了一种鲁棒控制器设计方法,为下一步进行计算机仿真和整机实验飞行做好准备。第四,依据四旋翼无人飞行器的系统仿真模型,通过Matlab中的Simulink模块,分别对姿态回路控制算法、姿态和位置回路的P1D控制算法和积分分离PID控制算法进行了仿真,验证了控制算法的有效性。后续应用中还要融入到整个四旋翼无人飞行器系统中进行软硬件系统的联合调试以及飞行测试做进一步考核验证。最后,在对前面完成的工作进行总结的基础上,提出下一步工作的建议并对未来发展给出展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 四旋翼无人飞行器概念
• 1.1.2 四旋翼无人飞行器研究意义
• 1.2 相关研究背景
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 基于四旋翼无人飞行器的飞行控制系统研究
• 1.3.1 四旋翼无人飞行器飞行控制系统研究的目的
• 1.3.2 四旋翼无人飞行器飞行控制系统国内外研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 四旋翼无人飞行器模型原理
• 2.1 引言
• 2.2 四旋翼飞行器原理
• 2.2.1 四旋翼飞行器结构类型
• 2.2.2 四旋翼飞行器结构组成
• 2.2.3 四旋翼飞行器操纵
• 2.3 四旋翼飞行器分析中坐标系建立
• 2.4 四旋翼飞行器动力学模型分析
• 2.4.1 叶片的叶素理论建模方法
• 2.4.2 动力学模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于DSP的姿态控制硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 姿态控制系统总体设计
• 3.3 系统硬件设计
• 3.3.1 主控制器选型
• 3.3.2 惯性传感器
• 3.3.3 高度传感器
• 3.3.4 电源模块
• 3.3.5 电源模块
• 3.3.6 PCB设计
• 3.4 地面站设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 飞行控制系统算法分析
• 4.1 引言
• 4.2 微型四旋翼飞行器控制系统构架
• 4.3 基于互补滤波器的姿态求解器设计
• 4.3.1 飞行器姿态描述
• 4.3.2 互补滤波器解算原理
• 4.3.3 姿态求解器设计
• 4.4 控制器设计
• 4.4.1 姿态控制
• 4.4.2 位置控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 计算机仿真与性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 四旋翼飞行器的Matlab仿真
• 5.2.1 Simulink仿真结构
• 5.2.2 系统仿真控制
• 5.3 实验验证分析
• 5.3.1 姿态求解器的性能验证
• 5.3.2 姿态控制的实验对比
• 5.3.3 轨迹跟踪控制实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 下一步工作建议
• 6.3 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果