基于计算动词PID控制器的四旋翼无人机控制及地面控制系统设计

摘要

计算动词理论创立至今，凭借其对自然语言中动态特性的建模能力，在短短十几年时间里迅速发展，不仅在理论研究方面涉及诸多领域，产生了大量优秀的科研成果，在实际工程应用中同样成果显著，特别是在控制和图像处理领域，表现出了巨大的应用价值。
　　近年来，无人机在军用和民用市场上的需求越来越强烈。而四旋翼飞行器以其能垂直起降、可悬停、机动性好、结构简单等诸多优点日益受到人们的关注，具有十分广阔的应用场景。
　　本文根据现有X型四旋翼飞行器平台，建立了动力学仿真模型，并结合计算动词理论，提出了基于动词PID控制算法的四旋翼飞行器控制方案，并根据实际应用需求设计了无人机地面控制系统。本文的主要研究内容包括:
　　首先，分析了四旋翼飞行器的特点和飞行原理，推导了动力学方程，并利用Simulink建立了飞行器的简化仿真模型。同时还介绍了基于方向余弦算法的飞行器姿态和方向的解算方法。
　　其次，根据原有的动词PID控制器提出了改进算法，并通过仿真全面地比较了传统PID控制器、模糊PID控制器、动词PID控制器及改进后的动词PID控制器的误差跟踪性能和抗干扰能力，仿真结果表明改进后的动词PID控制器在跟踪性能等指标上优于其它控制算法。
　　然后，结合四旋翼飞行器的特点，给出了基于计算动词PID控制器的飞行器的控制方案，并通过模型仿真，验证了该方法的有效性。
　　最后，建立了四旋翼飞行器地面控制站软件系统，实现了对飞行器远端控制，飞行状态监控、导航任务控制、数据存储等功能。为进一步研发多用途无人机打下坚实的基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 无人机研究背景

1．2 四旋翼飞行器国内外研究现状

1．3 计算动词理论的发展现状

1．4 四旋翼飞行器控制的研究目的和意义

1．5 本文的主要研究内容

第2章 四旋翼飞行器系统与建模

2．1 四旋翼飞行器系统组成

2．2 四旋翼飞行器控制原理

2．3 四旋翼飞行器姿态与方向解算

2．3．1 空间坐标系及坐标转换

2．3．2 基于DCM的姿态估计

2．3．3 基于DCM的方向估计

2．4 四旋翼飞行器动力学模型建立与仿真

2．4．1 四旋翼飞行器动力学模型

2．4．2 四旋翼飞行器仿真研究

2．5 本章小结

第3章 四旋翼飞行器的计算动词PID控制器设计

3．1 计算动词PID控制原理

3．1．1 PID控制原理

3．1．2 自整定模糊PID控制原理

3．1．3 计算动词PID控制原理

3．1．4 计算动词PID控制的改进算法

3．2 PID控制算法的仿真比较

3．2．1 仿真比较的标准

3．2．2 采用的过程模型

3．2．3 仿真结果

3．3 四旋翼飞行器的计算动词PID控制器设计与仿真

3．4 本章小结

第4章 四旋翼飞行器地面控制站的设计

4．1 飞行器地面控制站软件总体设计

4．2 基于MFC的界面模块设计

4．2．1 信息接收界面设计

4．2．2 导航任务界面设计

4．2．3 任务控制界面设计

4．3 基于MAVLink协议和XBEE的无线通信模块实现

4．3．1 基于XBEE模块的无线通信

4．3．2 基于MAVLink协议的消息机制

4．4 基于JavaScript的电子地图导航系统设计

4．4．1 基于JavaScript的网页地图显示实现

4．4．2 网页地图与数据库之间数据交互实现

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢