四旋翼无人机仿真控制系统设计

为了实现四旋翼无人机的自稳定控制,对四旋翼无人机进行了动力学建模与控制。在建模时利用机理建模和实验实测相结合的方法,建立小型四旋翼飞行器的动力学仿真模型;并通过准LPV法将非线性模型线性化,在飞行器模型解耦的4个通道上分别设计PID控制器,且在Matlab/Simulink平台上对系统整体进行仿真。仿真结果表明,该动力学模型和PID控制器可以有效地实现飞行器的自稳定控制,为后续的四旋翼飞行器的控制研究打下基础。     

四旋翼飞行器设计与平稳控制仿真研究

近年来,军用和民用市场的广阔应用需求和独特的优势促进了四旋翼飞行器(Quadrotor Helicopter)的发展。根据自主设计制作的样机,建立了四旋翼飞行器的动力学和动力系统动力学模型,并把卡尔曼滤波器应用于姿态解算,PID控制器用于姿态控制。仿真和试飞结果表明,所提出的控制策略是可行的,验证了动态模型建立的有效性。     

基于动态调节的小型四旋翼飞行器的控制系统

通过对四旋翼飞行器进行动力学建模,设计了简单PID控制器和动态调节PID控制器,并对动态调节PID进行了模糊规则的建立,成功地实现了对四旋翼姿态的控制;通过系统仿真比较了两种PID控制器的控制效果,结果表明,动态调节PID控制器相比于简单PID控制器具有更好的控制效果。     

Integral Backstepping法在四旋翼飞行器抗干扰研究中的应用

针对四旋翼飞行器多输入多输出、强耦合、非线性且欠驱动等特点带来的对外部干扰敏感问题,提出了基于积分型反步法的控制系统。首先建立了四旋翼飞行器的动力学模型,然后设计了位置控制回路外环及姿态控制回路内环的双闭环控制结构PID控制器,和由李雅普诺夫稳定性理论证明的Integral Backstepping法的控制器,最后在Matlab/Simulink中对这两种控制器进行仿真实验分析。结果表明,使用Integral Backstepping算法的控制器模型在控制精度、调节时间和抗干扰性上都明显优于经典PID算法。     

变桨距四旋翼飞行器的建模与控制研究

变桨距四旋翼飞行器可以通过改变4个旋翼的桨距大小来控制对应旋翼的拉力,从而调节四旋翼飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器的桨距调节控制策略相比传统的单一转速调节对于提高自身运动的机动性及可靠性具有重要意义,未来在微型飞行器的编队飞行、精确任务方面应用前景广阔。为了分析变桨距四旋翼飞行器大角度非线性运动的控制可实现性,采用欧拉法对其建立了非线性动力学模型,并将反馈线性化的非线性控制方法应用于所建立的飞行器模型。最后,结合Simulink软件对非线性控制下四旋翼运动过程的仿真,探讨了非线性控制理论对四旋翼飞行器运动的控制作用,为变桨距四旋翼飞行器大角度非线性运动的控制实现提供参考。     

基于串级PID的多旋翼精确定点悬停控制研究

针对多旋翼飞行器的精准定点及稳定悬停控制问题,采用串级PID控制算法设计位姿控制器对多旋翼的位置和姿态进行控制.对多旋翼进行运动学及动力学分析,建立数学模型,并对所建模型进行分析再建立控制分配模型.为了简化控制器设计,将控制器分为位姿控制器和控制分配器两部分进行设计,改变控制分配器可以实现对不同旋翼的飞行控制,具有更广的适用性.仿真结果表明,多旋翼无人机具有较快的响应速度,垂直起飞和平飞两个阶段衔接紧密,能够准确到达给定目标位置并进行稳定悬停.     

基于四旋翼飞行器的改进金字塔LK光流算法的研究

针对四旋翼飞行器在飞行过程的水平漂移问题,提出利用改进的金字塔LK光流算法予以改善.首先,通过VisualStudio2013仿真,确知改进的金字塔LK光流算法比传统金字塔LK光流算法对图像的速度信息提取精度更高.然后,再建立四旋翼飞行器的动力学模型,将两种光流算法导入MATLAB的仿真模型中,得出:四旋翼飞行器能有效根据改进的金字塔LK光流算法获得速度信息以降低水平漂移.最后,通过在轴距为430 mm的四旋翼飞行器的平台上进行飞行试验,结果表明:采用改进的金字塔LK光流算法能使四旋翼飞行器的水平漂移程度降低,可实现较为稳定的悬停.     

基于滑模控制的四旋翼飞行器控制器设计

基于四旋翼飞行器的结构和飞行原理,本文建立了其飞行动力学数学模型,并采用反馈线性化原理对该模型进行精确线性化;同时,本文采用基于趋近律的滑模变结构控制方法,进行飞行控制器设计,并用simulink对设计的控制器进行仿真,实现了四旋翼飞行器的定高悬停控制,提高了其飞行性能和鲁棒性。     

基于人工鱼群PID控制算法的四旋翼飞行器控制

针对传统的试凑法对四旋翼飞行器PID控制参数的整定精确度低等问题,提出采用全局人工鱼群算法将PID的3个参数作为鱼群中的一个个体组合,根据目标函数的变化情况及个体的状态,进行觅食、聚群、追尾等行为选择,从而在全局范围内搜索PID参数的最优组合,并结合动力学模型实现飞行器的飞行控制。仿真结果表明,全局人工鱼群算法具有更高的适应性和鲁棒性,且提高了系统的精度。     

四旋翼飞行器悬停算法设计与实现

针对四旋翼飞行器悬停困难的问题,从外力平衡与外力矩平衡两点出发,根据牛顿-欧拉方程对悬停状态下的飞行器建立动力模型,利用PID控制理论进行回路控制,设计了四旋翼飞行器的悬停算法。现场飞行测试结果为飞行器在水平范围±2 m、垂直范围±1 m的空间范围内漂移,实现了飞行器的悬停功能。     

四旋翼飞行器逃逸算法的实现

提出了四旋翼飞行器的逃逸行为算法。逃逸行为算法可以降低无人直升机与动态障碍物碰撞的可能性。通过在算法中实现群粒子的相对定位给出了四转子的移动和约束模型。为四转子的实际模型设计了控制器,该控制器根据规定的轨迹计算出每个螺旋桨转子的速度。通过仿真和对真实的派诺特AR．Drone飞行器的测试验证了该算法的功能。     

Incipient Fault Detection Using an Associated Adaptive and Sliding-Mode Observer for Quadrotor Helicopter Attitude Control Systems

An associated adaptive and sliding-mode observer (AASMO) design is proposed to detect and estimate the incipient actuator faults of a quadrotor. The incipient faults considered are physical structure aging and quadrotor leakage. First, disturbances and nonlinear parameters are considered in system formulation for a realistic mathematical model of the quadrotor. Its fault model is also introduced. Second, the decomposed subsystems are obtained through coordinate transformations to separate the incipient faults from the disturbances. For the subsystem with no disturbance, the adaptive observer can estimate the incipient faults. For the subsystem with disturbances, the sliding-mode observer has strong robustness against the disturbances. Dynamic error convergence and system stability can also be guaranteed by Lyapunov stability theory. Finally, the simulation results of quadrotor helicopter attitude systems validate the efficiency of the proposed AASMO-based incipient fault detection algorithm.     

四旋翼无人机的轨迹规划跟踪控制研究

针对四旋翼无人机的实际应用需求，开展轨迹跟踪控制研究。提出了一种基于快速扩展随机树（RRT）算法的Dubins航迹规划方法，同时搭建了四旋翼模型，并设计了轨迹跟踪控制方案对所提出的规划路径进行了轨迹跟踪仿真。该RRT-Dubins算法采用RRT算法对有障碍区域的无人机路径进行有效规划，然后利用Dubins路径对规划出的轨迹进行平滑处理，以形成一条无人机可飞行路径。仿真实验表明，采用所提出的轨迹规划方法及路径可以较好地规避障碍区域，且轨迹平滑更适合无人机飞行，同时验证了所提轨迹跟踪控制方案的有效性。     

利用飞控特征的四旋翼无人机雷达回波信号仿真

针对现有旋翼无人机雷达回波信号仿真方法未将密切相关的机身速度与旋翼转速相关联的问题,本文利用旋翼无人机的飞控特征,提出了一种将机身运动与旋翼转速相结合的四旋翼无人机雷达回波信号仿真方法。首先根据雷达回波仿真所需参数利用四旋翼无人机飞控原理给出一种机身速度与旋翼转速关联的简化运动模型,其次推导并给出线性调频体制雷达四旋翼无人机雷达回波信号模型,最后利用坐标系转换将简化运动模型与回波信号模型相结合。实验结果表明,仿真回波信号的时频分析结果能够体现机身速度和旋翼转速相关联的微多普勒特征,对于无人机运动状态变化的情况,其雷达回波仿真有必要将机身速度与旋翼转速联合考虑。      

电磁式操纵负荷系统的设计与实现

提出了一种新型的飞行模拟器操纵负荷仿真系统。依据电磁学的有关知识研制了电磁作动筒,并将电磁作动筒作为飞行模拟器操纵负荷仿真系统的力伺服系统,构成了电磁式力伺服加载方式的飞机纵向操纵负荷仿真系统。试验验证结果和实际应用表明,该系统具有仿真精度高、快速性好等特点,负载力模型和参数易于修改,可适应不同仿真对象和不同工作模式下负载力特性变化的要求,能广泛地应用于飞行模拟器的操纵力负荷仿真系统中。该方法还可用于飞机横向操纵负载力及脚蹬力的仿真。     

基于JSBSim的可视化飞行仿真系统

为了模拟一个具有高真实感飞行动力学模型，并且扩展后可以与联合作战仿真系统中其它武器装备进行交互的飞行器，本文使用 Unity 开发了一套基于 JSBSim 飞行动力学模型的可视化飞行仿真系统。该仿真系统先对输入设备的输入数据进行解析，然后利用 JSBSim 飞行动力学模型进行计算，最后根据计算结果对飞机的姿态、位置和速度等信息进行更新，可实现飞机姿态控制、状态信息及三维地形显示等功能。实验结果表明，开发的飞行仿真系统可以有效地模拟飞机的横滚、俯仰、偏转和加油等操作，实现飞机的可视化飞行仿真。经过扩展后，该仿真系统还可用于联合作战仿真中飞机的模拟。     

基于自适应反步跟踪的反馈调整稳定性控制算法

当飞机在大回环飞行中,由于受到空气动力学的扰动较大,需要进行飞行姿态稳定性控制,传统方法采用分段线性化控制方法,在大扰动条件下,飞行过程中各段的控制误差不断方法,导致飞行稳定性不好。提出一种基于自适应反步跟踪的飞行器反馈调整稳定性控制算法。构建大回环飞行中的飞行稳定性控制的参量模型系统,考虑外界干扰的情况下,进行飞行器反馈调整稳定性控制目标函数构建,采用自适应反步跟踪方法拟合控制过程的状态误差响应,实现控制器优化设计。仿真结果表明,采用该算法进行飞行器的稳定性控制,系统误差受到外界扰动的影响较小,控制器的自适应收敛性较高,展示了较好的应用性能。     

基于Saber的SVPWM逆变器控制仿真

为了对航空航天飞机供电系统的变频系统的逆变部分做仿真,采用了空间矢量PWM（SVPWM）控制策略,使变频后输出的电流在正弦波附近变化。SVPWM是依据变流器空间电压（电流）矢量切换来控制变流器的一种控制策略。在仿真软件Saber环境下运用MAST语言根据SVPWM的控制算法建立了SVPWM的逆变模型的实验,得到了与理论分析符合的仿真实验结果。