小型四旋翼飞行控制系统设计及飞行控制算法研究

摘要

四旋翼飞行控制系统是一种非线性、欠驱动、强耦合的系统，它是验证各种控制算法的理想平台，对四旋翼飞行控制系统的控制一直是个难题。论文以实验室搭建的四旋翼飞行器为研究对象，重点研究了反演控制方法，并针对反演控制方法的不足进行改进，探索新的控制策略，设计了基于积分反演控制算法的控制器。　　论文的主要工作和创新点如下:　　(1)设计了四旋翼飞行器系统的总体方案，在此基础上，搭建四旋翼飞行器系统的实验平台，包括器件的选型，系统软件的设计，并进行了大量的调试，确定设计的控制器的参数。　　(2)论文分析了四旋翼飞行器的基本飞行原理，并建立四旋翼飞行器的数学模型。　　(3)论文针对飞行器的姿态及位置控制，设计了基于PID控制算法的控制器，并在搭建的四旋翼飞行器平台上进行实验，而且针对飞行器的位置进行路径跟踪实验，结果证明设计的基于PID控制算法的控制器对飞行器控制系统是有效的。　　(4)在实际飞行中，设计的基于PID控制算法的控制器的稳定性及动态性能有待提高，本文设计了基于反演控制算法的控制器并对其改进，设计了基于积分反演控制算法的控制器，并分别进行仿真实验及针对飞行器的位置进行路径跟踪实验，结果证明，对于提高飞行器的动态性及稳定性，从PID控制器到反演控制器到积分反演控制器依次提高。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 小型四旋翼飞行控制系统的背景与研究意义

1．1．1 小型四旋翼飞行控制系统的背景

1．1．2 小型四旋翼飞行控制系统的研究意义

1．2 四旋翼飞行器控制目标和控制方法概述

1．2．1 控制目标

1．2．2 控制方法研究概述

1．3 PID控制算法概述

1．4 反演控制方法概述

1．5 飞行控制系统发展趋势

1．6 论文的研究内容、组织结构

1．7 本章小结

第二章 四旋冀飞行控制系统实验平台的搭建

2．1 系统总体设计

2．1．1 系统设计要求

2．1．2 系统总体设计框架

2．2 硬件模块设计

2．2．1 飞行控制模块设计

2．2．2 惯性测量器件

2．2．3 遥控接收模块

2．2．4 电源功能模块

2．2．5 位置传感器

2．2．6 无刷直流电机及电子调速器

2．2．7 GPS定位模块

2．2．8 螺旋桨

2．3 本章小结

第三章 四旋翼飞行器的飞行原理和建模

3．1 引言

3．2 飞行原理

3．3 坐标转换矩阵

3．4 系统建模

3．4．1 力学方程组的建立

3．4．2 力矩方程组的建立

3．4．3 运动方程组的建立

3．4．4 导航方程组的建立

3．4．5 模型简化

3．5 系统参数

3．6 本章小结

第四章 基于PID算法的四旋翼飞行器控制

4．1 PID控制理论基础

4．2 飞行器控制结构分析

4．3 控制器的设计

4．4 PID控制器的参数整定

4．5 仿真实验与结果分析

4．6 位置跟踪仿真结果及分析

4．7 本章小结

第五章 基于反演和积分反演算法的控制器的设计

5．1 反演法基本原理

5．2 基于反演控制算法的控制器的设计

5．2．1 系统的数学模型用状态空间模型表示

5．2．2 基于反演控制算法的姿态控制器的设计

5．2．3 基于反演控制算法的位置控制器的设计

5．2．4 仿真实验及结果分析

5．2．5 位置跟踪及结果分析

5．2．6 Lyapunov稳定性原理及稳定性分析

5．3 基于积分反演控制算法的控制器的设计

5．3．1 基于积分反演控制算法的姿态控制器的设计

5．3．2 基于积分反演控制算法的高度控制器的设计

5．3．3 仿真实验及结果分析

5．3．4 位置跟踪仿真结果及分析

5．3．5 基于反演控制算法的控制器与基于积分反演控制算法的控制器的比较

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况