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

1、四旋翼無(wú)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(wú)人駕駛旋翼飛行器。與常規(guī)布局無(wú)人直升機(jī)相比，四旋翼無(wú)人機(jī)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、操控簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，使用成本低等優(yōu)勢(shì)。由于這些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，四旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)研究近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界越來(lái)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(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，以實(shí)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(cè)器的飛行控制，飛行控

2、制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及地面控制站開(kāi)發(fā)等內(nèi)容。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，詳細(xì)分析了作用在四旋翼無(wú)人機(jī)上的力和力矩，并基于牛頓——?dú)W拉原理建立了十二狀態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法確定了數(shù)學(xué)模型中的機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋翼升力系數(shù)等參數(shù)，同時(shí)給出了旋翼轉(zhuǎn)速與PWM信號(hào)及電壓之間的關(guān)系。考慮到工程實(shí)現(xiàn)和控制器設(shè)計(jì)需要，采用小擾動(dòng)線性化方法對(duì)非線性動(dòng)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(jì)

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(duì)航姿系統(tǒng)易受干擾加速度影響而導(dǎo)致精度變差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(jì)算法，并在TMS320F28335數(shù)字信號(hào)控制器上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。與普通四元數(shù)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有干擾加速度修正的航姿估計(jì)算法具有更高的精度，能夠滿足四旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)飛行控制系統(tǒng)的需求。
　　其次，針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)在室內(nèi)飛行時(shí)容易受到內(nèi)

4、部和外部干擾的問(wèn)題，先后設(shè)計(jì)了兩種基于干擾觀測(cè)器的飛行控制方法。先是采用串級(jí)滑模控制方法對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行了姿態(tài)控制，并使用非線性干擾觀測(cè)器對(duì)外部干擾進(jìn)行估計(jì)。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(duì)傳統(tǒng)干擾觀測(cè)器干擾估計(jì)精度有限的問(wèn)題，提出了基于線性雙干擾觀測(cè)器的四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制策略，并給出了基于線性雙干擾觀測(cè)器的閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于Smith預(yù)測(cè)補(bǔ)償器的改進(jìn)PID位置控制律。

5、仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于線性雙干擾觀測(cè)器的跡跟蹤控制策略是有效的。
　　接著，對(duì)室內(nèi)環(huán)境下的四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。硬件方面，重點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jì)。軟件方面，設(shè)計(jì)了基于DSP/BIOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的飛行控制軟件系統(tǒng)，并對(duì)主要功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。為滿足飛行控制系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行需求，還開(kāi)發(fā)了基于MFC的地面控制站。
　　最后，進(jìn)行了四