發(fā)布時(shí)間：2020-11-15 07:17

　　 近年來(lái),四旋翼無(wú)人機(jī)由于其靈活性,緊湊的尺寸,低成本被廣泛應(yīng)用于軍事,民用和科研等領(lǐng)域,越來(lái)越多的人開始利用四旋翼無(wú)人機(jī)研究無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。目前市面上常見的四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制器大都是基于串級(jí)PID控制器設(shè)計(jì),這種控制方法原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易,然而四旋翼無(wú)人機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng),飛行中有來(lái)自內(nèi)部不確定性和外部環(huán)境的干擾,串級(jí)PID控制器很難抵抗這些干擾,在實(shí)際懸停飛行時(shí)姿態(tài)角會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),而且當(dāng)四旋翼受到外界干擾時(shí)波動(dòng)更大,懸停效果更差。所以應(yīng)該設(shè)計(jì)能有效抵抗內(nèi)外部干擾姿態(tài)控制方法。為了提高四旋翼無(wú)人機(jī)的抗干擾性能,常用的控制算法如經(jīng)典的滑�？刂扑惴ň哂泻軓�(qiáng)的抗干擾能力,但是實(shí)際運(yùn)用中容易出現(xiàn)高頻抖動(dòng)的問(wèn)題;反步控制算法對(duì)于外界擾動(dòng)不敏感,但控制算法控制效果依賴于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的精度,而實(shí)際飛行中無(wú)人機(jī)參數(shù)是有可能變化的,精確的控制模型很難建立;模糊控制算法抗干擾能力強(qiáng),對(duì)非線性系統(tǒng)具有很好的控制效果,但實(shí)際應(yīng)用中需要針對(duì)控制對(duì)象選擇合適的模糊規(guī)則。自抗擾控制幾乎不依賴數(shù)學(xué)模型,具有超強(qiáng)的抗干擾能力,能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)無(wú)人機(jī)內(nèi)部的不確定性變化和外界環(huán)境干擾,在控制量中進(jìn)行補(bǔ)償;同時(shí)自抗擾控制具有天然的解耦性能,非常適合四旋翼無(wú)人機(jī)的控制;另外控制算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,易于在微處理器上實(shí)現(xiàn)。但是在現(xiàn)有的大多數(shù)基于自抗擾控制器設(shè)計(jì)的四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制器都沒(méi)有考慮動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)控制效果影響。本文完整分析了四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制過(guò)程后,引入動(dòng)力系統(tǒng)模型基于自抗擾控制理論設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制器,并利用Pixhawk飛控板驗(yàn)證了飛行效果。另外在Pixhawk飛控板的使用中發(fā)現(xiàn):飛控板軟件代碼PX4固件多航點(diǎn)軌跡生成采用直線連接航點(diǎn)的方式,然而基于此種方式生成的軌跡跟蹤時(shí)在航點(diǎn)處輸入位置控制器的期望位置信號(hào)會(huì)發(fā)生躍變,對(duì)無(wú)人機(jī)速度和加速度的連續(xù)性有很大的影響。本文在考慮四旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)特性基礎(chǔ)上,利用Mini Snap約束對(duì)水平面路徑軌跡生成做了優(yōu)化。本文主要工作有:首先對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行原理進(jìn)行了分析,推導(dǎo)了六自由度數(shù)學(xué)模型。針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的每一部分硬件組成選配合適配件,組裝了飛行平臺(tái)并進(jìn)行了調(diào)試。在考慮了動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,分析四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制流程的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制器,控制器分為兩部分:角度部分采用比例控制,角速度部分采用自抗擾控制以抵消內(nèi)外部干擾。建立了MATLAB/Simulink仿真模型,利用人群搜索算法對(duì)部分控制參數(shù)進(jìn)行了整定;進(jìn)行了與串級(jí)PID控制器的對(duì)比飛行控制實(shí)驗(yàn)和抗干擾飛行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的控制方案抗干擾性能。最后針對(duì)多航點(diǎn)軌跡生成,利用Mini Snap約束對(duì)水平面路徑軌跡生成做了優(yōu)化,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)中需要頻繁的加減速問(wèn)題設(shè)計(jì)了軌跡跟蹤器,仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的軌跡追蹤效果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V279;V249.1
【部分圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文升機(jī)一直做得大而笨重，飛行效果達(dá)不到預(yù)期指標(biāo)20 世紀(jì) 90 年代以微電子技術(shù)(MEMS)為代表的相關(guān)無(wú)人機(jī)成為可能，多旋翼飛行器終于在本世紀(jì)初迎ot 公司推出四旋翼無(wú)人機(jī) AR.Drone，同時(shí) AR.Dro者可依據(jù)此編寫代碼實(shí)現(xiàn)一定的功能，從而將其應(yīng)四旋翼無(wú)人機(jī)的時(shí)代。

圖 1.1 AR.Drone 四旋翼無(wú)人機(jī)尼亞大學(xué)偉杰·庫(kù)瑪(VijayKumar)教授對(duì)四旋 Hummingbird 系列四旋翼無(wú)人機(jī)搭建了室內(nèi)多行、集群編隊(duì)控制等方面做了很多驚艷的成就隊(duì)隊(duì)形變換、協(xié)同奏樂(lè)以及合作搭積木等任務(wù)眾展示了四旋翼無(wú)人機(jī)巨大發(fā)展前景[4-7]。大學(xué)拉斐洛·D·安德教授(Raffaello D.Andre無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并先后兩次在 TED 大會(huì)上超強(qiáng)的創(chuàng)造力，包括全方向驅(qū)動(dòng)的八旋翼、當(dāng)及四旋翼無(wú)人機(jī)集群協(xié)同，并在軌跡生成和跟

圖 1.3 兩代 OS4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)另外還有如麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等世界知名學(xué)府對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)先進(jìn)的控制技術(shù)與應(yīng)用做了很多研究[13-14]。同時(shí)以亞馬遜、3DRobotics 為表的國(guó)外很多公司也在進(jìn)行著四旋翼無(wú)人機(jī)的研究、生產(chǎn)及應(yīng)用推廣，典型產(chǎn)品Dragonflyer X4、Microdrones md4-1000 等。在國(guó)內(nèi)，也有一些學(xué)者在對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制進(jìn)行著研究：如甄紅濤等為了高四旋翼無(wú)人機(jī)抵抗外界干擾和內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)的能力，在反步控制中引入了魯棒自適函數(shù)，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)反步姿態(tài)控制器[15]。萬(wàn)德旺基于四旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了H回路成形控制器，搭建半實(shí)物仿真平臺(tái)驗(yàn)證了控制器控制效果[16]。王昱將四旋翼無(wú)人控制系統(tǒng)分為內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制、中環(huán)速度控制和外環(huán)位置控制三個(gè)控制環(huán)，并通過(guò)滑模制理論分別設(shè)計(jì)了控制器，通過(guò)自己搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了控制器控制效果[17]。宿敬等在線性 PID 控制中引入慣性力矩補(bǔ)償部分以提高線性 PID 控制的抗干擾能力，并過(guò)搭建姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)非線性 PID 姿態(tài)控制器的魯棒性[18]。王璐等出了一個(gè)四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化方法，在簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上將控制過(guò)程分為全驅(qū)動(dòng)和欠動(dòng)部分，針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)了滑模控制器完成四旋翼姿態(tài)控制[19]。宋雋煒基于模
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