四翼飛行器姿態(tài)控制算法研究.pdf

1、四翼飛行器是一種機(jī)體具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的飛行器，在兩個(gè)垂直方向上共有四個(gè)旋翼，飛行器擁有四個(gè)輸入控制量，六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，是一種典型的非線性系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)飛行器，四翼飛行器具有良好的垂直起降、懸停、機(jī)動(dòng)、姿態(tài)保持性能等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。加之近幾年電子技術(shù)和控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)越來(lái)越多研究成果。四翼飛行器因其獨(dú)特的構(gòu)造，使其控制系統(tǒng)復(fù)雜，本文對(duì)四翼飛行器進(jìn)行建模分析，構(gòu)造飛行器的動(dòng)力學(xué)方程，研究飛行器

2、的姿態(tài)解算和控制系統(tǒng)算法。
　　為構(gòu)建飛行器的狀態(tài)模型，本文第二部分研究了飛行器的坐標(biāo)系統(tǒng)，建立起飛行器在機(jī)體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系下的姿態(tài)描述方法，以及姿態(tài)在兩種坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換，分別使用了歐拉角和四元數(shù)進(jìn)行研究表述;進(jìn)而分析飛行器六個(gè)自由度的飛行原理;接著研究了飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，主要是為了完成飛行器狀態(tài)方程的構(gòu)建。然后對(duì)飛行器的硬件模型進(jìn)行分析，飛行器的硬件主要包括，飛行器主控模塊，姿態(tài)檢測(cè)模塊，電機(jī)模塊和通信接口模塊。這一部分主

3、要完成了對(duì)飛行器機(jī)體模型的研究，為下一部分的飛行器姿態(tài)解算和姿態(tài)控制打下基礎(chǔ)。
　　第三部分研究了飛行器的濾波姿態(tài)計(jì)算算法，這些算法有卡爾曼濾波算法，互補(bǔ)濾波算法，并給出了三種算法在本飛行器模型下的控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，同時(shí)研究了基于四元數(shù)的飛行器姿態(tài)解算算法，包括四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法，和梯度下降算法，同樣給出了本飛行器模型下的兩種算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，為下一步的飛行器姿態(tài)控制算法打下基礎(chǔ)。
　　第四部分分析了飛行器的姿態(tài)控制算法，也

4、是本文的重點(diǎn)。飛行器的姿態(tài)控制算法有很多種，這里研究了PID姿態(tài)控制算法，LQR控制算法、Backstepping控制算法。研究了算法的原理，并給出了三種算法在第二部分建立起的飛行器模型下的控制器設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)在研究分析這三種控制算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種組合控制方法，這種控制方法能充分利用被組合的控制方法的各自優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各方面的最優(yōu)化。
　　第五部分在第四部分的基礎(chǔ)上在MATLAB里對(duì)三種控制算法進(jìn)行飛行器姿態(tài)響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)，并比