四旋翼無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而,四旋翼無人機(jī)是一個(gè)非線性、欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合的系統(tǒng),而且在實(shí)際飛行過程中還會(huì)受到不確定的紊流風(fēng)場(chǎng)干擾,這些因素均給無人機(jī)控制器的設(shè)計(jì)工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文主要針對(duì)風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)下四旋翼無人機(jī)的路徑跟蹤控制問題展開研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,研究了四旋翼無人機(jī)在風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)紊流風(fēng)場(chǎng)下的四旋翼無人機(jī)的受力進(jìn)行分析,然后根據(jù)牛頓-歐拉方程推導(dǎo)出紊流風(fēng)場(chǎng)下四旋翼無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。其次,研究了風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下四旋翼無人機(jī)的路徑跟蹤控制算法。四旋翼無人機(jī)控制采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),即外環(huán)位置控制與內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制。位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)均采用基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器的模型預(yù)測(cè)控制（ESO-MPC）方法。對(duì)于姿態(tài)控制,采用反饋線性化方法將姿態(tài)非線性模型線性化,然后設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)跟蹤,并設(shè)計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器以補(bǔ)償風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)和四旋翼無人機(jī)未建模部分。仿真結(jié)果表明該方法的有效性。最后,研究了風(fēng)擾和測(cè)量噪聲影響下的四旋翼無人機(jī)路徑跟蹤控制算法。為了消除測(cè)量噪聲對(duì)四旋翼無人機(jī)路徑跟蹤控制的不良影響,位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)均采用基于卡爾曼濾波的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量（ES... 

【文章來源】：武漢科技大學(xué)湖北省

【文章頁(yè)數(shù)】：73 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

民用級(jí)無人機(jī)產(chǎn)品

武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文7第2章風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下四旋翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模2.1引言建立精確的四旋翼無人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型是研究四旋翼無人機(jī)控制算法的基矗為研究四旋翼無人機(jī)在風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的路徑跟蹤控制問題，必須了解四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，以及風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)四旋翼無人機(jī)的影響，在此基礎(chǔ)上建立四旋翼無人機(jī)在風(fēng)場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)模型。通過參考國(guó)內(nèi)外四旋翼無人機(jī)建模方法，本文采用歐拉角描述四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)。本章首先介紹了四旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理，然后分別定義了大地坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系，并給出了兩個(gè)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)四旋翼無人機(jī)作一些合理的假設(shè)，結(jié)合紊流風(fēng)場(chǎng)對(duì)旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)分析，最后根據(jù)Newton–Euler方程推導(dǎo)出四旋翼無人機(jī)在紊流風(fēng)場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)模型。2.2四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理四旋翼無人機(jī)（quadrotor）是一種小型旋翼式飛行器，其結(jié)構(gòu)由機(jī)身和四個(gè)旋翼構(gòu)成，通過四個(gè)旋翼的旋轉(zhuǎn)為四旋翼無人機(jī)的飛行提供動(dòng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)四旋翼無人機(jī)沿著X軸、Y軸和Z軸三個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)，還可以使四旋翼無人機(jī)繞著X軸、Y軸和Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于旋翼的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相反的反扭力矩，這個(gè)力矩的存在對(duì)四旋翼無人機(jī)的控制是不利的。為了消除該影響[49-50]，把四個(gè)旋翼放置在同一平面上，并將其分為兩組，對(duì)角互為一組，采用相同的旋轉(zhuǎn)方向。四旋翼無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1，旋翼1和旋翼3為一組，采用逆時(shí)針方向；旋翼2和旋翼4為一組，采用順時(shí)針方向。圖2.1四旋翼無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)按照四旋翼無人機(jī)運(yùn)動(dòng)方式的不同，旋翼的分布通常有“十字”型或者“X”型

武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文9者逆時(shí)針偏航運(yùn)動(dòng)。2.3坐標(biāo)系的定義與姿態(tài)描述為了準(zhǔn)確描述四旋翼無人機(jī)的狀態(tài)以及方便對(duì)其進(jìn)行受力分析，定義了如圖2.2所示地面坐標(biāo)系(,,,)eeeeEOXYZ和機(jī)體坐標(biāo)系(,,,)bbbbEOXYZ。通過地面坐標(biāo)系可以確定四旋翼無人機(jī)在空間中的位置，機(jī)體坐標(biāo)系用來確定四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)變化。圖2.2地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系忽略地球自轉(zhuǎn)的影響，地面坐標(biāo)系與大地固連，把地面坐標(biāo)系當(dāng)成慣性坐標(biāo)系。起飛時(shí)四旋翼無人機(jī)在地面水平放置。地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為四旋翼無人機(jī)起飛位置的機(jī)體中心，eX軸正方向?yàn)樗男頍o人機(jī)起飛位置時(shí)的機(jī)頭方向，eZ軸正方向豎直向上，通過右手定則確定地面坐標(biāo)系的eY軸方向。機(jī)體坐標(biāo)系與四旋翼無人機(jī)固連，會(huì)隨著四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。機(jī)體坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為四旋翼無人機(jī)的重心，bX軸正方向?yàn)樗男頍o人機(jī)的機(jī)頭方向，bY軸正方向?yàn)樗男頍o人機(jī)的左側(cè)，二者互為垂直關(guān)系，bZ軸與bX軸、bY軸相互垂直，且bZ軸正方向由右手定則確定方向。要實(shí)現(xiàn)地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，需要引入歐拉角來描述四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)歐拉角，將四旋翼無人機(jī)的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系的夾角關(guān)系[51-53]。機(jī)體坐標(biāo)系可以通過地面坐標(biāo)系按照一定的旋轉(zhuǎn)順序可以得到，每一次旋轉(zhuǎn)的角度稱為歐拉角。歐拉角包括俯仰角φ、翻滾角θ、偏航角ψ。四旋翼無人機(jī)的在飛行過程中的任何一次姿態(tài)可以分解為三次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：繞bZ軸的偏航旋轉(zhuǎn)，繞bY軸的俯仰旋轉(zhuǎn)，繞bX軸的翻滾旋轉(zhuǎn)。在航空中一般按照先偏航旋轉(zhuǎn)，然后俯仰旋轉(zhuǎn)，最后翻滾旋轉(zhuǎn)得到地面坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系在空間中的旋轉(zhuǎn)關(guān)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和反步滑模法的四旋翼無人機(jī)軌跡跟蹤控制[J]. 張建揚(yáng),于春梅,葉劍曉.  計(jì)算機(jī)應(yīng)用. 2018(09)
[2]A Novel Robust Attitude Control for Quadrotor Aircraft Subject to Actuator Faults and Wind Gusts[J]. Yuying Guo,Bin Jiang,Youmin Zhang.  IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2018(01)
[3]風(fēng)擾下的四旋翼無人機(jī)LADRC控制律設(shè)計(jì)[J]. 齊浩然,齊曉慧.  飛行力學(xué). 2018(02)
[4]小型植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)橘樹冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 陳盛德,蘭玉彬,周志艷,廖娟,朱秋陽.  華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2017(05)
[5]風(fēng)干擾下的四旋翼無人機(jī)ADRC控制律設(shè)計(jì)[J]. 馮長(zhǎng)輝,齊曉慧,蘇立軍,王瑾.  測(cè)控技術(shù). 2016(09)
[6]四軸飛行器姿態(tài)解算算法設(shè)計(jì)與仿真[J]. 徐云川.  科技視界. 2016(23)
[7]無人機(jī)在軍事中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 相亮亮.  科技展望. 2016(14)
[8]基于ADRC的小型四旋翼無人直升機(jī)控制方法研究[J]. 王俊生,馬宏緒,蔡文瀾,稅海濤,聶博文.  彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào). 2008(03)

碩士論文
[1]四旋翼無人機(jī)軌跡跟蹤控制方法研究[D]. 胡帥.燕山大學(xué) 2019
[2]基于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的小型無人機(jī)姿態(tài)解算及控制算法研究[D]. 楊越.西安電子科技大學(xué) 2017
[3]四旋翼無人機(jī)控制方法研究[D]. 寧鑫.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017
[4]四旋翼飛行器建模與控制方法研究[D]. 羅春光.天津工業(yè)大學(xué) 2016
[5]一種四旋翼無人直升機(jī)飛行控制器的設(shè)計(jì)[D]. 黃溪流.南京理工大學(xué) 2010
[6]微小型四旋翼無人直升機(jī)建模及控制方法研究[D]. 聶博文.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2006



本文編號(hào)：3233389