四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制算法研究.pdf

1、由于四旋翼無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性好、安全以及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，其市場(chǎng)得到迅猛的發(fā)展；被廣泛的應(yīng)用于航拍、災(zāi)后搜救、反恐監(jiān)控以及國(guó)境巡航等各個(gè)領(lǐng)域。面對(duì)復(fù)雜的工作環(huán)境，無(wú)人機(jī)能否順利完成任務(wù)的關(guān)鍵是擁有良好的控制系統(tǒng)和狀態(tài)估計(jì)。然而四旋翼無(wú)人機(jī)的非線性、強(qiáng)耦合以及欠驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，使得其控制系統(tǒng)和狀態(tài)估計(jì)濾波器的設(shè)計(jì)難度大大增加。本文在分析了四旋翼無(wú)人機(jī)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了四旋翼無(wú)人機(jī)建模、控制算法和姿態(tài)估計(jì)算法的研究工作。
　　首先

2、，分析了四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，基于牛頓-歐拉方程建立了完整的四旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。該模型用四元數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)解算，考慮了四旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的平動(dòng)空氣阻力、轉(zhuǎn)動(dòng)空氣阻力，并且將無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子、螺旋槳和機(jī)體看作多剛體系統(tǒng)。在Solidworks軟件中，建立了無(wú)人機(jī)半實(shí)物模型以獲得無(wú)人機(jī)慣性參數(shù)。
　　其次，結(jié)合四旋翼無(wú)人機(jī)仿真模型，研究了在三種姿態(tài)反饋形式(歐拉角、旋轉(zhuǎn)矩陣以及四元數(shù))下姿態(tài)和位置的PID控制策略；完成相應(yīng)的姿

3、態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)的位置誤差轉(zhuǎn)換到姿態(tài)誤差轉(zhuǎn)換策略，完成了位置的級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仿真結(jié)果表明以四元數(shù)反饋時(shí)無(wú)人機(jī)的階躍跟蹤效果更好，而且具有控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、姿態(tài)解算無(wú)奇點(diǎn)以及計(jì)算量少的優(yōu)點(diǎn)。
　　再次，在四元數(shù)反饋的模型基礎(chǔ)上，研究了四旋翼無(wú)人機(jī)的自抗擾控制算法；導(dǎo)出四元數(shù)積分器串聯(lián)方程，結(jié)合姿態(tài)誤差四元數(shù)的意義，建立了四元數(shù)形式的矢量自抗擾控制系統(tǒng)；仿真結(jié)果表明在該控制系統(tǒng)下無(wú)人機(jī)的響應(yīng)速度更快，魯棒性能更強(qiáng)。