【摘要】：多旋翼無(wú)人機(jī)在近些年來(lái)的發(fā)展十分迅速,其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,飛行機(jī)動(dòng)能力多樣,實(shí)際操控便捷且環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng),受到科研與工程技術(shù)人員的越來(lái)越多重視,并取得了豐碩的研究成果。目前旋翼無(wú)人機(jī)多采用四旋翼、六旋翼等配置,通過(guò)導(dǎo)航、控制等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)空間六自由度的運(yùn)動(dòng)。四旋翼原理上屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)且沒(méi)有配備足夠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)保證冗余度,同時(shí)受旋翼數(shù)量的限制其帶載能力較弱。六旋翼結(jié)構(gòu)冗余度較高且?guī)лd能力顯著增強(qiáng),但多電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)整機(jī)振動(dòng)較大,對(duì)導(dǎo)航與控制的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和可靠性提出了更高要求,設(shè)計(jì)時(shí)多采用價(jià)格高昂的高品質(zhì)的導(dǎo)航元件,這大大制約了多旋翼機(jī)型的廣泛推廣。本文在課題組自主研發(fā)的新型CQ-12旋翼無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)上,圍繞其低成本組合導(dǎo)航與飛行穩(wěn)定控制開(kāi)展深入研究,主要的工作有以下幾個(gè)方面:對(duì)新型CQ-12旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。在對(duì)新型無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)合理的簡(jiǎn)化過(guò)程,構(gòu)建其沿質(zhì)心位置變化和繞質(zhì)心姿態(tài)變化的動(dòng)力學(xué)模型,建立控制關(guān)系并推導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)方程組,為無(wú)人機(jī)穩(wěn)定控制算法的研究提供更精準(zhǔn)的受控模型。對(duì)低成本組合導(dǎo)航傳感器的預(yù)處理進(jìn)行研究。在分析低成本傳感器特性的基礎(chǔ)上,分別構(gòu)建慣性測(cè)量單元(INS)、全球定位系統(tǒng)(GNSS)、磁力計(jì)(COMPASS)、氣壓計(jì)(BARO)的誤差模型并分析誤差來(lái)源,提出各傳感器的快速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定算法,并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的在線預(yù)處理方法,為組合導(dǎo)航提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)源。對(duì)低成本組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行研究。在對(duì)比各型數(shù)據(jù)融合方法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了低成本元件高輸出精度的高維數(shù)組合導(dǎo)航EKF算法,構(gòu)建24維狀態(tài)空間并給出各步驟的詳細(xì)推導(dǎo)方程。研究該算法的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù),結(jié)合固聯(lián)機(jī)體常進(jìn)行大角度機(jī)動(dòng)帶來(lái)的噪聲異常,提出方差自適應(yīng)整定方案。為研究人員急需的EKF算法工程實(shí)踐提供清晰的各環(huán)節(jié)具體實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)低成本組合導(dǎo)航EKF算法的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。針對(duì)高維數(shù)EKF算法穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行分析,創(chuàng)新性的提出了EKF-CPF主動(dòng)容錯(cuò)算法,保證EKF算法的長(zhǎng)期穩(wěn)定解算。在算法的仿真設(shè)計(jì)中給出Simulink具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程,為科研人員急需的EKF仿真實(shí)現(xiàn)提供清晰的設(shè)計(jì)參考,并給出了各步驟實(shí)際參數(shù)。通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了算法的實(shí)時(shí)性與有效性。對(duì)新型CQ-12無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制算法進(jìn)行研究。針對(duì)無(wú)人機(jī)模型參數(shù)不確定與未建模擾動(dòng),引入了自適應(yīng)方法并證明了姿態(tài)控制算法的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了基于Backstepping算法的姿態(tài)控制器。為解決Backstepping工程實(shí)現(xiàn)中的運(yùn)算量難題,引入虛擬指令濾波方法,在大大減小運(yùn)算量的同時(shí)保證無(wú)人機(jī)姿態(tài)的穩(wěn)定跟蹤。通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了姿態(tài)控制器的跟蹤效果。對(duì)新型CQ-12無(wú)人機(jī)的位置控制算法進(jìn)行研究。針對(duì)無(wú)人機(jī)抗擾能力的需求,設(shè)計(jì)了基于自抗擾(ADRC)算法的位置控制器。對(duì)TD、ESO、NLSEF各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。給出位置控制器調(diào)節(jié)參數(shù),對(duì)姿態(tài)與位置控制器相結(jié)合的飛行控制系統(tǒng),通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證位置控制器的跟蹤效果,通過(guò)搭載遙感載荷的實(shí)際測(cè)量進(jìn)一步驗(yàn)證飛行控制算法的實(shí)用性。對(duì)飛行容錯(cuò)控制算法進(jìn)行研究。針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的來(lái)源進(jìn)行分析和建模,提出帶閾值判別的故障檢測(cè)算法,設(shè)計(jì)了標(biāo)稱器與自適應(yīng)逼近器想結(jié)合的容錯(cuò)控制器。通過(guò)仿真驗(yàn)證容錯(cuò)控制器的有效性,為新型旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的可靠性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文通過(guò)對(duì)新型CQ-12旋翼機(jī)的低成本組合導(dǎo)航和穩(wěn)定控制算法的研究,期望為低成本、高品質(zhì)的多旋翼無(wú)人機(jī)的推廣和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279;V249
【圖文】：

載達(dá)到 1kg。該無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，故障率較低，為無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)提供了良好的模板，許多無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)多采用此方式。圖1.3 X-4 Flyer Mark I飛行器圖1.4 X-4 Flyer Mark II飛行器斯坦福大學(xué)的旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)計(jì)劃(STARMAC)中，Gabe Hoffmann 主持開(kāi)發(fā)了 STARMAC I 型和 II 型四旋翼無(wú)人機(jī)，如圖 1.5、圖 1.6 所示。其帶載能力達(dá)到 1kg，導(dǎo)航模塊采用了 IMU/GPS，同時(shí)配套設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)與地面站的通訊鏈路[5][6]。

開(kāi)創(chuàng)了電動(dòng)四旋翼在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的先河[7-9]

md4-200四旋翼

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10 李f

本文編號(hào)：2790630