四旋翼飞行器的姿态估计与优化控制研究

【摘要】得益于近几十年来，科技的发展及应用，四旋翼飞行器成为了采用多种微传感器以及众多子系统（导航、通信、动力和飞行控制等）构成的高集成控制系统，在结构极、重量、制造及装配等方面的表现得到极大提升。独特的飞行特性，使其不仅拥有垂直起降能力，还能轻松驾驭例如对障碍物的识别、避让等任务。它可以作为一种智能巡检机器人，替代工作人员在无人值守的工业现场，完成安全检测中面临的各种危险工作任务。这将提升巡检的智能化水平，提高巡检作业和管理的效率，降低劳动强度和运维成本。四轴飞行器在军事领域和民用领域都显示出了极高的研究价值和应用潜力。本文主要研究工作及完成结果集中为如下几方面：（1）基于本课题的选题背景，介绍并回顾了四旋翼飞行器的发展历史以及国内外的研究现状，并对飞行器现有技术难点做了概括和简要说明。之后梳理了目前现有主要研究方法。（2）从四旋翼飞行器的样机一般组成结构和控制原理入手，深入分析飞行器运动过程的受力情况，结合所做假设，忽略次要扰动因素，最后完成四旋翼飞行器动力学模型的建立。（3）根据设计需求，对材料选型进行了详细地分析，确定了四旋翼飞行器样机，机身机械构架。然后根据控制要求、所需功能，设计了飞行器控制系统总体结构，完成了飞行器的硬件系统，最终搭建了四旋翼飞行器整机。（4）首先阐述了传感器数据预处理方法。然后分别阐述了四种滤波器的滤波原理及离散递推公式，最后将算法移植至所使用微控制器，将图形化的数据曲线显示到计算机，并测试各自性能，分析了四种算法的各自利弊。（5）首先分别介绍了变速PID控制算法和基于反演的滑模控制算法，并根据其各自原理设计出相应控制律。接着在Matlab/Simulink环境下搭建了两种控制器的系统模型，采用经耦合的4个独立通道控制结构飞行器系统，对姿态和位移回路进行仿真，验证了方法的有效性。最后，设计了采用变速积分PID算法的飞行控制程序，测试了飞行器性能。
【作者】胡琦逸；
【导师】王建中；邹洪波；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】四旋翼飞行器；姿态估计；卡尔曼滤波；PID控制；滑模控制；

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