认证主体：胡**（实名认证）
IP属地：安徽
下载本文档
1、 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc467847873 第一章选题的背景和意义 PAGEREF _Toc467847873 h 1 HYPERLINK l _Toc467847874 1.1选题背景 PAGEREF _Toc467847874 h 1 HYPERLINK l _Toc467847875 1.2国内外研究现状及发展趋势 PAGEREF _Toc467847875 h 2 HYPERLINK l _Toc467847876 1.3 四旋翼飞控设计方法 PAGEREF _Toc467847876 h 6 HYPERLINK l _Toc467847
2、877 1.4 论文选题的意义 PAGEREF _Toc467847877 h 7 HYPERLINK l _Toc467847878 第二章研究方案 PAGEREF _Toc467847878 h 8 HYPERLINK l _Toc467847879 2.1 研究 PAGEREF _Toc467847879 h 目标8 HYPERLINK l _Toc467847880 2.2 研究 PAGEREF _Toc467847880 h 内容8 HYPERLINK l _Toc467847881 2.2.1 四旋翼飞机的基本结构和飞行原理 PAGEREF _Toc467847881 h 8 HY
3、PERLINK l _Toc467847882 2.2.2 四旋翼无人机 PAGEREF _Toc467847882 h 12自主飞行控制 HYPERLINK l _Toc467847883 2.2.4 四旋翼无人机稳定性控制算法的实用性分析 PAGEREF _Toc467847883 h 14 HYPERLINK l _Toc467847884 2.3 需要解决的关键问题 PAGEREF _Toc467847884 h 14 HYPERLINK l _Toc467847885 2.3.1 无人机数学模型的建立与仿真 PAGEREF _Toc467847885 h 14 HYPERLINK l
4、 _Toc467847886 15抗扰控制器设计与仿真 PAGEREF _Toc467847886 h HYPERLINK l _Toc467847887 2.4 提出的研究方法和技术路线 PAGEREF _Toc467847887 h 16 HYPERLINK l _Toc467847888 2.4.1 四旋翼无人机 PAGEREF _Toc467847888 h 16数学模型的建立 HYPERLINK l _Toc467847889 18抗扰控制器设计与仿真 PAGEREF _Toc467847889 h HYPERLINK l _Toc467847890 2.5 可行性分析 PAGERE
5、F _Toc467847890 h 20 HYPERLINK l _Toc467847892 第三章 预期研究成果与计划 PAGEREF _Toc467847892 h 21 HYPERLINK l _Toc467847893 3.1预期研究成果 PAGEREF _Toc467847893 h 21 HYPERLINK l _Toc467847894 3.2附表 PAGEREF _Toc467847894 h 21 HYPERLINK l _Toc467847895 参考文献 PAGEREF _Toc467847895 h 22第一章选题背景及意义1.1 选题背景无人机（Unmanned Ae
6、rial Vehicles，UAV）通过机体内配备的自主程序控制飞行或根据地面控制站无线遥控设备的操纵指令控制飞行。近年来，由于其体积小、成本低、适应性强、机动性和隐蔽性好、可重复使用、能够代替人类执行危险的作战任务等特点，成为国内外研究热点。许多领域显示出巨大的应用潜力1 。通常无人机分为旋翼无人机和固定无人机2 。固定式无人机出现较早。自1960年代初，美国首先将无人机用于军事探索，并在随后的战争中发挥了巨大的作用，如参加中东海湾战争的“先锋”号航母。无人机，科索沃战争中的“捕食者”无人机，阿富汗和伊拉克战争中的“捕食者”和“死神”系列无人机，以及“全球鹰”战略无人侦察机3 。随着微机电、
7、通信、新材料和控制方法等技术的改进和研究，早期旋翼无人机相对复杂的工程应用找到了有效的解决方案，能够更好地满足当今日益复杂的作业。环境和要求。与固定无人机相比，旋翼无人机具有突出的优势。它可以在狭窄的空间悬停4 ，垂直起降（VTOL，Vertical Take Off and Landing），灵活性好，结构简单。本课题的主要研究对象是四旋翼，一种微型旋翼无人机。该飞行器的四个旋翼和四个电机分别固定在十字结构机身的四个端点处，呈中心对称结构。改变四个电机的转速来改变升力，实现四旋翼飞行器的轨迹和姿态控制5 。与单旋翼无人机相比，四旋翼无人机布局简单，易于控制，飞行稳定性和机动性更加突出。此外，
8、低噪音、制造精度低、隐蔽性好、能够在狭小空间内完成飞行任务等优势，使四旋翼飞行器具有更大的应用潜力。然而，微型四旋翼是一个非完整约束的二阶欠驱动强耦合系统。在飞行过程中，四旋翼可以通过调节四个螺旋桨的转速直接控制其姿态角和飞行高度，而飞行器的水平位置只能通过姿态角与水平位置的耦合关系来间接控制。飞行器，因此很难实现四旋翼无人机的三个方向的位置控制。另外，由于四旋翼无人机体积小、重量轻，飞行过程中空气阻力和阻力对其影响很大。因此，在设计飞控时需要考虑时变的外部干扰问题。除了外界干扰外，在每次飞行中，由于载荷不同，飞行器的重量和转动惯量也有很大差异。由于四旋翼无人机的动力学模型比较复杂，动力学模型
9、中的一些气动参数难以准确测量，这些不确定性进一步增加了飞控系统的设计难度。因此，传统的控制算法无法理想地解决这些问题，在工程实践中更难达到良好的控制效果。除了在飞行过程中需要将无人机调整到指定的位置和姿态外，在一些特殊的应用场景中，比如在某条路径下进行航拍任务或者在信号干扰强的区域进行巡航任务时，路径进行.该路径的预路径规划和跟踪具有重要的现实意义。然而，无人机在跟踪路径时，会受到环境侧风、无人机结构气动参数建模不准确、结构执行延迟等因素的影响。路线。因此，需要利用飞行器的实时位置姿态信号反馈来控制飞行器跟踪预定轨迹，实现四旋翼无人机的轨迹跟踪控制。因此，已经提出了各种四旋翼的轨迹跟踪和飞行控
10、制方法，例如反步法67 、反馈线性化89和PID 10 。可见，研究复杂环境下满足特殊飞行要求的微型四旋翼飞行器轨迹的稳定跟踪控制具有一定的理论意义和实用价值。1.2国内外研究现状及发展趋势四旋翼的概念最早是由宝玑兄弟实现的。 19世纪初，他们研制出第一款四旋翼飞机，名为Breguet-Richet“Gyrocopter 1” （图1.1），由四根焊接而成的纵横交错分布的钢管构成旋翼飞机的主体框架。 1907年9月，“1号旋翼”实现了搭载飞行员的旋翼飞机的首次升空11 。第一架四旋翼虽然没有实现稳定飞行，但极大地推动了四旋翼的发展。图 1.1 宝玑-里歇“Gyrocopter 1”1956 年
11、，在纽约的 Amitycille，Convertawings 制造了一个带有两个发动机的四旋翼飞机（图 1.2），它可以通过改变每个螺旋桨的速度来产生推力来飞行。图 1.2 Convertawings 的四旋翼在此期间，使用了大多数载人四旋翼飞机。样机的性能和稳定性较差，操作性能和实用性能很低。因此，在接下来的几十年里，旋翼无人机的发展几乎停止了。直到近十年来，随着先进控制理论、空气动力学理论、微电子技术和材料技术等相关学科的发展，以四旋翼无人机为代表的多旋翼无人机的研究热潮再次掀起。 .并取得了很多成果。宾夕法尼亚大学GRASP实验室设计的四旋翼无人机不仅可以在室内实现稳定飞行、障碍物和目标
12、识别等功能，还可以实现编队协调任务（图1.3）。该小组摒弃了传统的传感器装置，增加了红外传感器和摄像头，辅助惯性测量单元获取飞行器的姿态和位置信息，取得了良好的控制效果12 。图 1.3 宾夕法尼亚大学研制的四旋翼无人机及其编队试验斯坦福大学无人机研究组在四旋翼无人机上开展了多智能体控制自主旋翼机平台计划（STARMAC）。人机系统（如图1.4所示）有上下控制结构，承载能力可达1kg。传感器使用 IMU、GPS 和声纳等模块，可以与地面站进行无线通信1314 。图 1.4 斯坦福大学的 STARMAC Type I 和 STARMAC Type II此外，在 NASA 的支持下，斯坦福大学的
13、IIan Kroo 和 Fritz 团队开发了 Mesicopter 项目（图 1.5）。本项目研发了一款四旋翼控制的微型无人机，其结构为方形，机身尺寸仅为1616mm。对机器的研究提供了一个新的思路7。图 1.5 中旋翼微型四旋翼无人机麻省理工学院（MIT）较早开展了四旋翼无人机的研究（图 1.6），并开展了无人机群健康管理项目（UAV SHMP） 15 。主要是利用地面遥控设备实现多架无人机在动态环境中协同执行任务。 MIT四旋翼无人机配备IMU惯性测量单元反馈姿态信息，配备激光扫描阵列可感知并重建周围环境以规划飞行路径。 2007年，麻省理工学院实现了利用地面设备控制多架四旋翼无人机，协
14、同监督和跟踪地面车辆目标（图1.7）。此外，该项目还实现了多机协同、编队飞行等实验（如图1.8所示）。图 1.6 MIT 四旋翼无人机 图 1.7 多无人机协同跟踪实验图 1.8 MIT 多无人机编队飞行实验多旋翼无人机不仅在许多国家的大学和科研机构得到了广泛的研究，而且越来越多的多旋翼无人机研发公司也逐渐壮大起来，并在民用领域得到了广泛的应用。早期且极具代表性的遥控四旋翼无人机由加拿大 Draganflyer Innovations 制造，命名为 Draganflyer X-4（图 1.9）。四旋翼无人机采用碳纤维作为机身材料。整机重481.1g，可承载113.2g，续航1620分钟。三个机
15、载压电晶体陀螺仪用来提供自己的姿态信息，机载电子设备可以利用这些信息来调整四个电机的转速，从而控制飞行器的姿态稳定性。图 1.9 Draganflyer X-4 无人机 图 1.10 MD4-200 无人机图1.10所示的MD4-200四旋翼无人机采用德国MICRODRONES公司的碳纤维材料制造。它由盘式无刷直流电机驱动，由锂电池供电。可实现室内外稳定飞行和定点悬停，自推出以来在欧洲市场取得了巨大成功，但主要用于地面运营商的遥控飞行。由上可见，国外不少研究机构已经成功研制出能够在简单受限环境下自主飞行的四旋翼无人机，但在复杂环境下研制完全自主飞行仍然是一个挑战。1.3 四旋翼飞控设计方法无人
16、机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要求。由于四旋翼无人机具有姿态和平移的耦合关系，实现稳定的姿态控制是实现有效稳定轨迹跟踪的关键。近十年来，在四旋翼无人机的姿态控制和轨迹跟踪控制方面取得了多项研究成果。郑等人。 16将四旋翼无人机分为两个子系统：全驱动和欠驱动子系统，并分别使用鲁棒终端滑模控制算法和欠驱动滑模控制算法进行轨迹控制。该算法的复合控制在外部干扰的情况下具有精确的轨迹跟踪效果。 SS克鲁兹等人。 17首先利用拉格朗日方程构建了四旋翼的动力学模型，然后设计了一种基于李雅普诺夫分析的嵌套饱和轨迹跟踪控制算法，并证明了系统的稳定性。效力。戈麦斯巴尔德拉斯等人。 18提出了一种基于视
17、觉控制的四旋翼飞行器。首先，利用牛顿-欧拉公式建立动力学模型，利用相机估计飞行器的速度和位置，引入非线性饱和控制。最后通过实验证明。控制策略的有效性。冈萨雷斯一世等人。 19提出了一种基于无刷直流电机速度反馈的姿态稳定控制器，内环控制电机转速，外环控制四旋翼无人机姿态，保证闭环系统的稳定性。实验表明，该算法具有良好的姿态控制效果。此外，大量的控制算法已应用于四旋翼无人机系统的控制20 。受加工技术水平和安装工艺的影响，实际四旋翼无人机系统参数与理论计算模型存在一定偏差，尤其是加负载后，机身质量和偏移量会有一定的变化。飞机的重心。给建立精确的四旋翼无人机模型带来了困难。此外，在执行飞行任务时，往
18、往处于复杂多变的飞行环境中。如何克服未知环境因素的影响，保证飞行平稳安全，也是重要的控制研究问题。因此，需要设计更稳健的姿态稳定控制器和轨迹跟踪控制器，以适应实际工程应用。学者们在四旋翼无人机鲁棒控制方面取得了一定的研究成果。贝斯纳德 L 等人。 21考虑了四旋翼无人机的外部干扰和模型不确定性，提出了一种鲁棒滑模算法，该算法控制增益不高，计算量小。拉福等人。 22提出了一种积分预测非线性鲁棒控制策略，利用模型预测控制来跟踪四旋翼无人机的期望轨迹，非线性控制器稳定飞行器姿态的内环，并考虑了空气动力学的扰动和模型参数的不确定性，验证了模拟实验。穆黄等人。 23针对模型参数不确定的欠驱动四旋翼飞行器
19、设计了一种基于反推法的自适应控制算法，补偿了质量不确定性的影响，并最终通过仿真实验验证。算法的有效性。 Satici 等人。 24提出了一种基于 L1 的四旋翼无人机最优控制器，具有系统参数不确定性和测量噪声，使得四旋翼无人机系统对干扰的增益最小，并通过仿真实验证实该算法具有良好的轨迹跟踪控制结果。1.4 论文选题意义四旋翼无人机以其驱动力大、灵活性强、应用广泛等特点，被广泛应用于各种特殊领域。它可以代替人执行一些相对困难和危险的任务。准确执行这些任务的前提是稳定控制四旋翼无人机自主飞行的姿态和轨迹。在军事领域，可应用于：军事盲区信息获取、目标监测、敏感区域自动监测、特定目标定点清扫等。在山区
20、等复杂环境的局部战争和冲突中，四旋翼无人机可以作为侦察和进攻性飞行平台。此外，将四旋翼无人机装载在坦克、装甲车等传统武器上，可以大大提高战斗力。在民用领域，可用于：公安、警察的搜救，在遇到恶劣天气、火灾、地震、自然灾害，或有毒物质泄漏时，四旋翼无人机可以快速开展大型.规模经营。搜索，提供实时有效信息，减少人员伤亡。此外，四旋翼无人机可协助警方追捕、搜索和监控犯罪分子，零风险了解犯罪分子的具体情况，必要时还可配备激光非致命武器和化学致残武器完成任务“Spot Kill”和“Face Removal”。使用四旋翼无人机平台可以低成本、高效率地监控交通状况，巡查高压输电线路、输油管道等，及时了解故障
21、状态，赢得抢修时间。在农业方面，四旋翼无人机可以携带种子、化肥、农药等进行农田播种、施肥、喷洒农药等工作。带有光谱仪的低空无人机可以及时发现病虫害或估算农业产量。配合农户提前做好安排。在新闻场景中，四旋翼无人机可以从高空任意角度拍摄，获取全面、直观的新闻图片和视频。此外，还可用于航空测绘、航空考古、天气预报、野生动物观察、房地产管理等多种民用场合。目前实现自主飞行控制的无人机大多采用基于视觉的方法估计位姿或在室内标定的前提下进行实验，自然不能满足复杂场景下自主飞行的需求。因此，对四旋翼无人机自主姿态稳定控制与轨迹跟踪的研究具有广泛的现实意义。第二章研究方案2.1 研究目标本论文的研究目标分为以
22、下三个方面：1、建立的四旋翼无人机数学模型是控制飞行器的基础。因此，有必要根据其物理结构和空气动力学特性，建立具有一定实际物理意义的动力学模型，进一步研究精确姿态和轨迹跟踪控制。打好基础。分析了大多数基于其结构的现有动态模型。但是，由于传感单元和执行单元的特性，存在动态误差。因此，还需要建立更符合实际情况的动态模型。精确控制。、四旋翼无人机作为实际工程应用的飞行器，在执行任务时需要面对复杂的飞行环境和自身结构的不稳定性。因此，结合飞行器的特点，设计鲁棒的姿态稳定控制器和航迹跟踪控制器是实现自主飞行控制的基础。针对复杂的飞行环境，设计了精确有效的补偿器，对自动抗干扰效果进行了仿真优化。2.2 研
23、究内容2.2.1四旋翼飞机的基本结构和飞行原理四旋翼无人机总则由检测模块、控制模块、执行模块和供电模块组成。检测模块实现当前姿态的测量；执行模块计算当前姿态，优化控制，为执行模块生成相应的控制量；电源模块为整个系统供电，如图2.1所示。如图2.2所示，四旋翼无人机的机身由对称的十字形刚体结构组成，材质多为轻质高强碳纤维；由两个叶片组成的旋翼为飞行器提供飞行动力，每个旋翼安装在一个电机旋翼上，通过控制电机的旋转状态来控制每个旋翼的转速，以提供不同的升力来实现各种姿态；每个电机与电机驱动元件和中央控制单元相连，由中央控制单元提供的控制信号调节速度； IMU惯性测量单元为中控单元提供姿态计算数据，机
24、身上的检测模块无人机提供最直接的数据了解自身的姿态和姿态，为四旋翼无人机最终实现飞行提供了保障。实现复杂环境下的自主飞行。图 2.1 四旋翼无人机的组成和结构现在，位于四旋翼机身同一对角线上的旋翼组合在一起。前后转子顺时针旋转，产生顺时针扭矩；而左右转子逆时针旋转产生逆时针方向的转矩，使四个转子旋转产生的转矩相互抵消。可以看出，四旋翼飞行器的所有姿态和位置控制都是通过调节四个驱动电机的转速来实现的。总则来说，四旋翼无人机的运动状态主要分为五种状态：悬停、垂直运动、滚动运动、俯仰运动和偏航运动。图 2.2四旋翼无人机结构示意图(1)悬停：悬停状态是四旋翼无人机的一个显着特点。在悬停状态下，四个旋
25、翼的转速相等，所产生的上升力正好等于自身的重力，即。并且由于旋翼速度相等，前后速度与左右速度相反，使飞行器的总扭矩为零，从而使飞行器仍在空中，达到悬停状态，如图在图 3.2 中。图2.3四旋翼无人机悬停状态示意图(2)垂直运动垂直运动是五种运动状态中较简单的一种。在四旋翼无人机各旋翼转速大小相等的情况下，同时将各旋翼转速增大或减小相同大小，即可实现飞行器。垂直运动。当四个旋翼同时增加转速时，旋翼产生的总升力超过四旋翼无人机的重力，即四旋翼无人机将垂直上升；相反，当旋翼的转速同时降低时，每个旋翼产生的总升力小于自身重力时，即四旋翼无人机将垂直下降，从而实现垂直四旋翼无人机的升力控制。图 2.4
26、四旋翼无人机垂直运动示意图(3)滚动运动翻滚运动是在保持四旋翼无人机前后旋翼转速不变的情况下，改变左右旋翼的转速，使左右旋翼之间形成一定的升力差，从而达到一定的升力。沿机身左右对称轴产生力矩。 ，从而实现控制方向的角加速度。如图 2.3 所示，提高旋翼 1 的转速，降低旋翼 3 的转速，飞行器将向右倾斜飞行；反之，减小 4 旋翼，增大 2 旋翼，飞行器会向左倾斜。图2.5四旋翼无人机滚动状态示意图(4) 俯仰动作四旋翼飞机的俯仰运动类似于横滚运动。在保持机身左右旋翼转速不变的前提下，通过改变前后旋翼转速形成前后旋翼升力差，从而在对称轴上形成一定的力矩机身前端和后端的轴线。 ，使角方向的角加速度
27、达到控制。如图 2.4 所示，如果增加旋翼 3 的转速，降低旋翼 1 的转速，飞行器会前倾；否则，飞机将向后倾斜。图 2. 6四旋翼无人机俯仰状态示意图(5) 偏航运动四旋翼的偏航运动是通过同时控制成对的四个旋翼的转速来控制的。当前后或左右旋翼的转速保持不变时，不会有俯仰或横滚运动；而当每组的两个转子和另一组转子以不同的速度旋转时，由于两组转子的旋转方向不同，会造成反作用力的不平衡，会在中心周围产生反作用力此时机身轴心，引起角加速度。如图 2.3 所示，当前后旋翼转速等于或大于左右旋翼转速时，由于前者顺时针旋转，后者逆时针旋转，因此总反作用力矩为逆时针方向，而反作用力作用在机身中轴上缘的逆时针
28、方向会引起逆时针偏航运动；否则会导致飞行器顺时针偏航。图2.7四旋翼无人机偏航运动示意图综上所述，四旋翼无人机各飞行状态的控制是通过控制对称的四个旋翼的转速形成相应的不同运动组合来实现的。但飞行过程中有六个自由度输出，是典型的欠驱动强耦合非线性系统。例如旋翼1的旋转速度会导致无人机向左滚动，逆时针旋转的扭矩会大于顺时针扭矩，进而导致无人机向左偏航，滚动会导致无人机向左滚动。平移，可以看出四旋翼无人机的姿态和平移是耦合的。2.2.2 四旋翼无人机自主飞行控制四旋翼无人机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要求。由于四旋翼无人机本身具有姿态与平移的耦合关系，以及模型参数和外界干扰的不确定性，只
29、有实现姿态的稳定控制才能完成对航迹的有效跟踪。在四旋翼无人机的自主控制系统中，姿态稳定控制是飞行器自主飞行的基础。它的任务是控制四旋翼无人机的三个姿态角（俯仰角、横滚角、偏航角），稳定地跟踪期望的姿态信号，保证闭环姿态系统具有期望的动态特性。由于四旋翼无人机姿态和平移的耦合特性，分析表明只有保证稳定的姿态控制，才能使全旋翼升力产生一个期望方向的分量，进而控制飞行器在期望的轨迹上飞行。方向。在实际飞行环境中，四旋翼无人机的姿态受外界干扰、模型不准确的参数误差、测量噪声等未建模动力学对控制效果的影响。因此，有必要引入合适的观测器和控制器来估计和补偿总不确定性，并补偿估计误差，以保证四旋翼无人机在存
30、在外部干扰时的姿态有效跟踪。四旋翼无人机的姿态控制应根据其实际工作特性和动力学模型，然后针对三个姿态通道（俯仰、横滚和偏航）设计姿态控制器。控制器，其流程如下图所示。图2.8 姿态控制器结构图这种方法基本可以保证各通道的实际姿态值跟踪期望值。但是，仅控制模型本身时，不考虑外部不确定性对闭环系统的影响。飞行时，微型无人机由于机身小、电机振动强，容易受到外界环境的干扰。因此，整个信道中必然存在不确定性因素，如模型误差、环境干扰、观测误差等，这些不确定性会降低系统的闭环性能。因此，在设计无人机控制系统时，必须考虑系统的抗干扰性能，即闭环系统的鲁棒性67。因此，需要设计一定的扰动补偿器对扰动进行逼近和
31、补偿，以实现姿态角的稳定跟踪。例如，文献174-188使用基于神经网络的方法对非线性系统进行控制研究或对系统进行估计。不确定项目取得了较好的效果。其结构如下：图2.9 带补偿器的姿态控制器结构图只有保证飞行器姿态稳定，才能进一步讨论如何控制路径保持稳定。时间尺度上的分析表明，飞行器姿态角变化的频率大于飞行器位置变化的频率。因此，轨迹跟踪应采用内外双环控制，内环控制姿态角，外环控制位置。2.2.4 四旋翼无人机稳定性控制算法的实用性分析以上从理论角度分析了姿态稳定控制的可行性，但由于非线性控制器的计算量过大，如反推法，涉及到其系统间许多虚拟控制变量的推导。而且，观测器的参数需要在线计算和更新，这
32、进一步显着增加了控制器的负担。四旋翼无人机作为一种微型飞行器，其机载计算能力有限。因此，上述基于反推法的非线性控制器暂时难以实现，限制了控制器的实际应用。为了最终实现对无人机姿态的稳定控制，需要从实际出发，利用观察扰动的思想，设计一种易于工程实现的姿态控制器。分析表明，控制器应满足以下条件：(1)实时性：响应速度快是无人机的一大特点。控制器必须对所需信号和外部干扰信息有较短的响应时间，并迅速制定控制策略。算法的复杂程度和计算过程的复杂程度将直接影响无人机的实时响应速度。(2) 适应性：无人机的结构特点是时变的。如果控制算法过分依赖无人机的数学模型，控制精度必然会受到这些参数变化的影响。因此，建
33、立无人机功率关键模型并分析剩余干扰项。因此，不仅需要在理论基础上对基于反推法的非线性控制器进行仿真分析，设计合理、高效的补偿器自适应算法，还要对其实用性进行修正，最终实现通过工程实现。 .2.3 需要解决的关键问题2.3.1无人机数学模型的建立与仿真四旋翼无人机虽然结构简单，但仅使用四个驱动单元就可以实现六个自由度的运动，显示出它的欠驱动耦合机动。因此，准确建立其数学模型是研究其运动特性的前提。1、电机数学模型的建立电机是无人机的直接驱动单元，其特性将直接影响无人机的运动特性。作为执行器，电机必须具有滞后和饱和等性能限制。如何准确地表达其特点非常重要。2. 无人机运动数学模型的建立研究控制方案
34、的前提是建立四旋翼无人机四个电机的转速与其在设定坐标系中的姿态之间的关系。不能为了实现简单而忽略一些关键特征，或者考虑所有因素进行过度准确的描述，不利于模型的建立和模型的后续使用。因此，建立一个精确且适度复杂的模型是表达其所有关键运动学特征的前提，也是实现精确控制的前提。3. 仿真平台的建立在数学仿真软件上对导出的数学模型进行表达和仿真，是验证其正确性的重要手段，也是后续实现其控制仿真的前提之一。2.3.2四旋翼自主飞行抗扰控制器设计与仿真受加工技术水平和安装使用过程的影响，无人机的系统参数与理论计算模型之间必然存在一定的偏差。同时，在执行轨迹跟踪任务时，无人机往往处于复杂多变的飞行环境中。因
35、此，如何克服未知环境和系统参数的影响，保证飞行稳定安全也是测控研究的重要问题。1、四旋翼无人机的姿态计算任何控制方法只有在准确测量自身状态参数的基础上，才能产生有效的控制策略。无人机通过加速度计、陀螺仪和磁力计测量和计算其当前的姿态角和速度。但其测量值势必会受到传感器性能和运行时机体振动的影响。因此，设计相应的滤波器，尽可能滤除其干扰信号，是无人机稳定控制的基础。2、四旋翼无人机姿态稳定控制由于无人机的姿态和平移是耦合的，其姿态的变化必然会带动机体的平移。因此，只有在稳定控制姿态的基础上，才能控制其位置。在飞行过程中，姿态跟踪会受到环境因素的影响。因此，设计一种抗扰动控制器来补偿扰动是轨迹跟踪
36、中最重要的部分。3. 四旋翼无人机航迹稳定性控制无人机的位置变化频率相对于姿态变化的频率较低。在保证姿态控制的准确性和稳定性的基础上，需要控制其位置来保持稳定。这将形成一个双回路甚至多回路控制回路。2.4 提出的研究方法和技术路线2.4.1四旋翼无人机数学模型的建立四旋翼无人机的模型建立分为电机驱动部分和机身部分两部分：1、无刷电机模型的建立无刷电机是四旋翼无人机最常见的驱动单元，也是无人机全姿态实现的动力源。因此，其动态特性将直接影响控制效果。总则来说，无刷电机的运行特性包括：(1) 时间滞后。转子由直流无刷电机驱动产生升力，转速变化与电机输入电压成正比，由PWM信号的占空比控制。在姿态控制
37、中，电机延迟导致转速和输入控制量变化的滞后，直接影响姿态控制的质量，必须在模型中加以考虑。总则来说，它可以被认为是一阶延迟链路。假设以变桨通道的控制器为例，忽略机身的陀螺效应和转子的陀螺效应，变桨通道的动力学公式可简化为公式（2.1） ：(2.1)其中是俯仰角，是俯仰轴的转动惯量，是控制量。引入电机的一阶延迟环节，可以通过拉普拉斯变换得到俯仰轴传递函数如（2.2）所示：(2.2)其中，是电机延迟时间常数。(2) 饱和度。四旋翼无人机依靠电机带动旋翼进行驱动。在实际工程中，电机在物理上只能达到有限的速度。因此，四旋翼无人机的偏航容易出现执行器饱和问题，尤其是面对复杂的飞行。环境下，偏航运动往往不
38、能保证准确的跟踪。执行器饱和控制方法主要分为直接设计法和抗饱和控制法两大类。直接设计法是在设计控制器时直接考虑饱和问题，保证闭环系统的稳定性。抗饱和控制方法也称为补偿器设计方法。该方法首先在不考虑饱和现象的情况下设计无约束控制器，然后根据执行器输入和输出的差异设计补偿器，以减弱饱和的不良影响。因此，补偿器只在发生饱和时才起作用，大大简化了控制器的复杂性。由于抗饱和控制方法可以引入各种成熟的控制理论，因此得到了广泛的应用。然而，很少有文献讨论该特性对其在无人机中的偏航能力的影响，这也是需要解决的问题之一。2. 无人机数学模型的建立飞行机器人虽然种类繁多，但建模方法大同小异。在建模过程中，飞行机器
39、人本体被视为在空间中自由移动的刚体。主要区别在于力和力矩的产生机制以及飞行机器人姿态的描述方法。由于飞行机器人的旋转是一个刚体变换，这种线性变换保持飞行机器人上任意两个粒子之间的距离恒定。因此，飞行机器人的姿态可以用一个行列式为1的3X3阶正交矩阵R来表示，它将身体坐标系中表示的向量转换为惯性系。该矩阵的三个列向量是身体坐标系的三个正交基向量在惯性系中的分量，三个行向量是惯性系三个正交基向量在身体坐标系中的分量，则这个矩阵称为飞行机器人的旋转矩阵。我们建立的所有数学模型都需要在一定的坐标系中讨论才有意义。同时，对于无人机本身而言，其结构是由对称支架组成的刚体结构。但是，为了准确建立其数学模型，
40、需要考虑哪些因素会影响控制质量，哪些因素对最终控制影响不大，或者可以等效为其他影响。考虑到无人机的结构特点和实际工作条件，可以做以下假设来简化其模型：(1)考虑到无人机是刚体结构，飞行过程中不考虑其弹性变形和电机转动对机体振动的影响。(2) 认为无人机的外形结构和质量分布均匀，质心与其几何中心重合，不考虑飞行器载荷变化对质心的影响。(3)将空气摩擦力和摩擦力矩、陀螺效应、角速度耦合项和外部环境扰动统一为系统的总不确定度。该模型的简化条件是否符合实际情况，需要在后续研究中进行确认和修正。3. 无人机数学模型仿真建议使用MATLAB/Simulink平台建立和分析上述模型，并讨论相关模型的推导和简
41、化是否合理、准确。2.4.2 四旋翼自主飞行抗扰控制器设计与仿真四旋翼无人机开环响应特性分析表明，无人机本身具有不确定性，需要设计飞行控制器实现对姿态和轨迹的稳定控制，使无人机的输出能够快速跟踪所需的角度和命令。控制器由控制姿态的内环控制器和控制轨迹的外环控制器组成。姿态控制器的主要功能是控制无人机的横滚角、俯仰角、横滚角速度和俯仰角速度。无人机可以快速准确地跟踪操纵指令输入。轨迹控制器的主要功能是控制无人机的纵向、横向速度和垂直位移。系统框图如图 2.6 所示。在该框图中，所需的控制指令信号为控制系统提供控制指令信息，例如纵向线速度、横向线速度和垂直位置；飞行指令输入到轨迹控制器，轨迹控制器开始计算期望的输入量。输出所需的操纵量和姿态状态量，如横滚角、俯仰角、偏航角等；轨迹控制器的输出量作为输入量输入姿态控制器，计算得到各旋翼的控制量，结合轨迹控制器输出的操纵量即为需要的操纵控制量申请完成所需的飞行；最后将这些操纵控制量输入到无人倾转旋翼飞行器模型中，由飞行器模型计算实际状态响应并反馈给控制系统。图 2. 10理想条件下轨迹跟踪控制回路的组成关系1.姿态控制系统无人机进行机动飞行，首先要改变飞行姿态角，然后改变机体气动力合力和合力矩矢量的
0/150
联系客服
本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接被用户下载，本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私，请立即通知人人文库网，我们立即给予删除！