【摘要】：四旋翼飛行器作為當(dāng)前一種新型無(wú)人機(jī),具有體積小、靈活度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn),在民用和軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,自問(wèn)世以來(lái),便引起了世人的廣大興趣。而作為一個(gè)受控對(duì)象,四旋翼飛行器是一種欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng),具有較大的控制難度。本文針對(duì)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種設(shè)計(jì)方案,并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的有效性。本文的研究重點(diǎn)主要有:(1)四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型的建立。首先根據(jù)飛行器的飛行原理,選用地理坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系作為飛行器的參考坐標(biāo)系,推導(dǎo)四元數(shù)法求取飛行器的歐拉角,最后根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)和剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)推導(dǎo)出四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程。(2)飛行器姿態(tài)的解算。針對(duì)目前旋翼飛行器在高機(jī)動(dòng)和復(fù)雜飛行環(huán)境下測(cè)算的姿態(tài)相對(duì)誤差較大的問(wèn)題,提出了基于多傳感器信息融合的飛行姿態(tài)解算。首先通過(guò)卡爾曼濾波算法對(duì)陀螺儀輸出角速率進(jìn)行噪聲補(bǔ)償,提高角速率輸出精度,然后根據(jù)各傳感器的噪聲頻率特性,將加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)所測(cè)量的角度信息與濾波之后的角速率進(jìn)行互補(bǔ)融合求取四元數(shù),通過(guò)四元數(shù)與姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換關(guān)系獲取飛行器姿態(tài)信息,最后通過(guò)仿真和三軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)證明飛行器姿態(tài)解算算法的有效性。(3)飛行器硬件的選擇及設(shè)計(jì)。詳細(xì)論述了飛行器各個(gè)組成硬件模塊的設(shè)計(jì)思路。其中選用STM32F103C8T6作為飛行器的主控芯片,使用斬波電路對(duì)電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換,為了降低飛行器的工作噪聲和保證系統(tǒng)的使用壽命,使用永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為飛行器的動(dòng)力單元,并采用無(wú)位置傳感器控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。(4)姿態(tài)、位置控制器的設(shè)計(jì)。在建立四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型的前提下,設(shè)計(jì)了姿態(tài)PID控制器,并在此控制器基礎(chǔ)上,結(jié)合了模糊控制算法,使姿態(tài)控制器能夠適應(yīng)飛行器系統(tǒng)參數(shù)的變化,實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制器的自適應(yīng)。設(shè)計(jì)了位置PD控制器,使飛行器能夠跟蹤設(shè)定航線。最后通過(guò)實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制器的正確性。
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279
【圖文】：

該款無(wú)人機(jī)仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間飛行。956 年美國(guó)陸軍作戰(zhàn)部研制了一款 X4E，它的有效載重 200kg,并實(shí)現(xiàn)，但飛行性能依然不能達(dá)到美國(guó)軍方要求。后數(shù)十年，旋翼飛行器一直沒(méi)有取得重要突破。但近年來(lái)，隨著微機(jī)術(shù)、飛行控制理論研究、全球定位系統(tǒng)、捷聯(lián)慣性導(dǎo)航等技術(shù)不斷行器又迎來(lái)了新的春天。隨著全球科研單位對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)研究的深成果不斷涌現(xiàn)。國(guó) AeroVironment 公司開發(fā)了一款名為“Black window”小型旋翼飛行量只有僅僅 50g，其中一半為電池的質(zhì)量，飛行時(shí)間可達(dá) 20min，最為 100m，并能實(shí)時(shí)傳輸 1800m 外的畫面回基站，還能夠在惡劣天氣飛行。夕法尼亞大學(xué)的 Yash Mulgaonkar 教授團(tuán)隊(duì)受蜜蜂的啟發(fā)，開發(fā)一款器 Bee。該團(tuán)隊(duì)在該飛行器上安裝一項(xiàng)避震結(jié)構(gòu)，飛行器在與障礙物然能夠正常飛行。這款飛行器并不需要添加復(fù)雜的避障系統(tǒng)，就能夠雜飛行環(huán)境下正常工作，在救災(zāi)搶險(xiǎn)中有著光明的應(yīng)用前景[8]。

圖 1.2 Scamp 四旋翼省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)了一套旋翼無(wú)人機(jī)的控制算法，可以實(shí)現(xiàn)飛行。這套算法采用分散控制策略，在出現(xiàn)單點(diǎn)故障的情況下，飛以實(shí)現(xiàn)正常的工作，故該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性。由于每個(gè)飛行器外部整體的部分信息，所以只需相對(duì)較小的計(jì)算量，便能完成相當(dāng)具有很好的拓展性。佛大學(xué)改進(jìn)了四旋翼飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和飛行控制算法，利用光流行器的自主避障，并成功開發(fā)了具備自主起飛、降落等功能的 OS4 該機(jī)型驗(yàn)證了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和滑�？刂频瓤刂祁I(lǐng)域的適用性[10]。arrot 是一家法國(guó)老牌微型飛行器設(shè)計(jì)和制造商，目前開發(fā)了一款應(yīng)的旋翼無(wú)人機(jī) Bluegrass。這款無(wú)人機(jī)搭配了一枚高清攝像頭和高，成像儀可以對(duì)人眼不可見(jiàn)的紅外光進(jìn)行成像，可用來(lái)估計(jì)農(nóng)作植，評(píng)價(jià)病蟲害對(duì)農(nóng)作物造成的經(jīng)濟(jì)損失和預(yù)估作物的產(chǎn)量。Blueg高的續(xù)航能力，一次充電可連續(xù)飛行 35 分鐘，能覆蓋將近 10 畝的

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