室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無人機(jī)飛行控制技術(shù)研究.pdf

1、四旋翼無人機(jī)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(jī)相比，四旋翼無人機(jī)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡單，維護(hù)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(jī)技術(shù)研究近年來受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界越來越多的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。論文圍繞四旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)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(biāo)，著重研究了數(shù)學(xué)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(shè)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(xì)分析了作用在四旋翼無人機(jī)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(xué)方程。通過實驗的方法確定了數(shù)學(xué)模型中的機(jī)體轉(zhuǎn)動慣量和旋翼升力系數(shù)等參數(shù)，同時給出了旋翼轉(zhuǎn)速與PWM信號及電壓之間的關(guān)系。考慮到工程實現(xiàn)和控制器設(shè)計需要，采用小擾動線性化方法對非線性動力學(xué)方程進(jìn)行線性化，得到了以傳遞函數(shù)表示的線性數(shù)學(xué)模型。
　　然后，設(shè)計

3、了基于低成本微機(jī)電系統(tǒng)傳感器和四元數(shù)擴(kuò)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(dǎo)致精度變差的問題，設(shè)計了具有干擾加速度修正的四元數(shù)擴(kuò)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(jìn)行了實現(xiàn)。與普通四元數(shù)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的比較實驗結(jié)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(jī)室內(nèi)飛行控制系統(tǒng)的需求。
　　其次，針對四旋翼無人機(jī)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(shè)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(jī)進(jìn)行了姿態(tài)控制，并使用非線性干擾觀測器對外部干擾進(jìn)行估計。仿真結(jié)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(jī)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(shè)計了基于Smith預(yù)測補(bǔ)償器的改進(jìn)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(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。硬件方面，重點設(shè)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(shè)計。軟件方面，設(shè)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(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。為滿足飛行控制系統(tǒng)調(diào)試和運行需求，還開發(fā)了基于MFC的地面控制站。
　　最后，進(jìn)行了四