小型多旋翼無人機(jī)飛行控制器的研制.pdf

1、多旋翼飛行器以其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操控靈活、等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航拍、空中測(cè)繪、電力巡線、空中偵察領(lǐng)域，逐漸成為微型無人機(jī)中的研究熱點(diǎn)。但是多旋翼無人機(jī)是一種高階、非線性、強(qiáng)耦合的欠驅(qū)系統(tǒng)，控制技術(shù)是該領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。本文以四旋翼飛行器為對(duì)象，做了如下研究工作：
　　首先，本文從四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了其運(yùn)動(dòng)特性和控制原理。建立了“電機(jī)-槳”系統(tǒng)準(zhǔn)確詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，建模中考慮電機(jī)電感、電阻、槳的固定阻力矩、阻尼、風(fēng)阻

2、，轉(zhuǎn)子陀螺效應(yīng)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)算出了相關(guān)參數(shù)。
　　根據(jù)牛頓歐拉公式，推導(dǎo)了線運(yùn)動(dòng)方程和角運(yùn)動(dòng)方程。針對(duì)現(xiàn)有公式的局限性，首次提出計(jì)算航向角運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確公式并根據(jù)該公式首次推導(dǎo)出了多旋翼無人機(jī)未做簡(jiǎn)化的完整角運(yùn)動(dòng)方程。結(jié)合“電機(jī)-槳”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程和機(jī)體動(dòng)力學(xué)方程，建立了完整的描述從電機(jī)電壓到機(jī)體姿態(tài)角再到機(jī)體線運(yùn)動(dòng)的微分方程。
　　其次，分析了三種無人機(jī)姿態(tài)傳感器測(cè)量角度的原理及各自在測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)各傳感器特點(diǎn)設(shè)計(jì)

3、了合理、高效的互補(bǔ)濾波器用于得到校正后的旋轉(zhuǎn)矩陣以及姿態(tài)角，推導(dǎo)出了校正之后的角速度信息。
　　根據(jù)無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)姿思想，創(chuàng)新地提出二十四加速度計(jì)測(cè)量方案，推導(dǎo)了每個(gè)加速度的測(cè)量公式。根據(jù)該公式推導(dǎo)了角加速度信息和角速度信息，這是多旋翼無人機(jī)領(lǐng)域中首次通過測(cè)量方法得到角加速度信息，試驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)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(gè)模塊，設(shè)計(jì)了基于AD

4、RC的姿態(tài)控制器，針對(duì)多旋翼首次推導(dǎo)出了ADRC中關(guān)鍵參數(shù)（控制增益）的數(shù)學(xué)公式，詳細(xì)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(jié)果顯示，基于 ADRC的無人機(jī)姿態(tài)控制具有響應(yīng)快速、無超調(diào)、無穩(wěn)態(tài)誤差的特點(diǎn)，表明設(shè)計(jì)的控制器具有良好的控制效果。分析了滑模變結(jié)構(gòu)控制器（SMC）的原理以及常見抑制抖振方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用邊界層法設(shè)計(jì)了基于SMC的姿態(tài)控制器。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，超調(diào)量小，滿足控制要求。<