小型四旋翼飞行器控制系统的设计与实现

当今四旋翼无人机得到了广泛的应用,如管网、巡视、航拍测绘等,与此同时四旋翼市场呈现出小型化的发展趋势。为了提供更多轻便型四旋翼的学习参考,文章设计了一款小型四旋翼飞行器,采用了STM32F103C8T6为主控制器,通过MPU6050传感器获取机体的飞行姿态,系统应用了串级PID控制算法实现了对四旋翼飞行器飞行姿态的调节。实验结果表明,系统较为稳定,该飞行器在飞行运动的过程中姿态较为稳定。     

基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计

针对微型四旋翼飞行器在小型无人机领域中独具的优点,提出并采用多种传感器、蓝牙无线通信、嵌入式微控制器等物联网技术,设计出一款基于物联网的微型四旋翼飞行器。详细阐述了其系统架构、硬件设计以及四元数算法、PID控制算法等。实践表明,基于物联网的微型四旋翼飞行器具有易于控制、飞行姿态稳定、转向灵活等优点。     

基于三轴陀螺仪的飞行器自动飞行控制

越来越多的军用和民用市场的广阔需求和独特的优势促进了四旋翼飞行器的发展。该设计基于瑞萨单片机为控制核心的四旋翼飞行器,主要利用姿态传感器陀螺仪、加速度计和电子罗盘测量出飞行器在飞行过程中所处各种姿态的数据信息。其中将陀螺仪测量得到的角速率做预测更新,以加速度计和电子罗盘的数据用作观测更新,从而得到更高精度的姿态角度信息。来实现飞行器定向、定高、定点等情况的飞行控制,具有广阔的应用前景。     

四旋翼飞行器姿态估计方法

针对四旋翼飞行器姿态估计中传感器由于旋翼振动带来的测量误差,通过卡尔曼滤波方法融合加速度计和陀螺仪的测量数据来提高姿态估计精度,减少因载体振动带来的噪声并解决陀螺漂移问题。先分析了惯性器件误差类型,然后建立了三自由度的系统模型并用Matlab进行仿真分析,再利用带有螺旋桨的实验台验证方法的可行性。实验结果表明,姿态估计误差在2°以内且没有随时间的增长而增大,基本满足四旋翼飞行器姿态估计的实时性、廉价性、高精度等要求,该方法可以成功应用于四旋翼飞行器的姿态控制,抑制噪声干扰,为稳定的自主飞行创造条件。     

六旋翼飞行器建模及位置跟踪控制

为实现六旋翼的位置跟踪与控制功能,对六旋翼飞行器的数学模型进行了分析,通过线性化得到了其简单数学模型。在简化的数学模型基础之上设计了基于PID(比例-积分-微分控制器)控制算法的姿态控制器和位置控制器,控制器仿真结果表明位置跟踪误差小于2%。飞行实验中飞行器准确追踪给定的姿态角精度大于80%,飞行器性能稳定,实现方法合理。     

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。     

基于四旋翼飞行器的PID算法改进

四旋翼飞行器具有不稳定,非线性,强耦合等特点。为了使飞行器能够稳定飞行,采用两个PID串联,同时对位置式PID算法进行改进,PID参数整定后试飞结果显示,飞行器能够稳定的保持平衡。     

四旋翼飞行器静态H_∞输出反馈控制

四旋翼飞行器的飞行控制系统可对多输入多输出的非线性系统进行稳定控制。针对复杂集总干扰下四旋翼姿态与位置的稳定控制,提出了一种基于静态H_∞输出反馈控制算法。首先通过Euler-Lagrangian方程获得四旋翼的飞行动力学模型,并将其转换成线性系统的状态空间形式;其次根据时间尺度原理依次构建四旋翼的姿态和位置控制回路,并设计静态H_∞输出反馈控制策略来实现两个控制回路的抗干扰控制,同时利用布谷鸟算法的寻优优势来计算最优的输出反馈控制增益;最后通过两组仿真算例对所提控制算法的有效性进行了验证,结果表明,基于静态H_∞输出反馈控制的四旋翼系统能够有效抑制集总干扰的影响,实现各控制环状态变量的稳定控制。     

基于DSP的四旋翼无人飞行器控制系统

本文以四旋翼飞行器为研究对象,以TMS320F28335为核心,搭建飞行器硬件平台,实现四旋翼飞行器的姿态控制。详细介绍了控制系统硬件设计方法,采用基于RBF神经网络整定的PID控制策略,最终实现了飞行器的垂直起降、稳定悬停和便携设备超远程控制。     

一类欠驱动系统的双环滑模控制仿真

针对一类欠驱动四旋翼飞行器(Quadrotor UAV)受控模型,提出一种基于内外环的滑模控制策略,实现了对Quadrotor UAV系统的稳定控制与跟踪。首先采用拉格朗日方程建立四旋翼飞行器的动力学模型,然后根据其数学模型设计以位置系统为外环,姿态系统为内环,滑模控制律为控制方法的内外环控制策略。最后在Matlab环境中对该系统进行仿真,验证了该控制策略的有效性。     

基于FPGA增量式编码器的接口设计与实现

光电增量式编码器,又称光电角位置传感器,是电气传动系统中用来测量电动机转速和转子位置的核心部件。分析了光电编码器4倍频原理,提出了一种基于可编程逻辑器件FPGA对光电增量式编码器输出信号4倍频、鉴相、计数的具体方法,它对提高编码器分辨率与实现高精度、高稳定性的信号检测及位置伺服控制具有一定的现实意义。经实际项目论证,该...     

Sensorless vector control of synchronous reluctance motors withdisturbance torque observer

The elimination of the position sensor has been one important requirement in vector control systems because the position sensor spoils the reliability and simplicity of drive systems. Therefore, we present a sensorless vector control technique for synchronous reluctance motors. The rotor position is calculated easily from ds-qs-axes flux linkages which are estimated with a first-order lag compensator. Furthermore, utilizing estimated rotor position as the input of the full-order observer, the rotor speed and disturbance torque are estimated. The proposed sensorless vector control scheme is demonstrated with experimental results     

A sensorless initial rotor position estimation scheme for a direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive

In direct torque control (DTC) scheme, the requirement of the continuous rotor position sensor and coordinate transformation is eliminated since all the calculation is done in stator reference frame. However, the DTC scheme requires the position sensor to determine the initial position of the rotor at starting. Elimination of the shaft-mounted position encoder is a very desirable objective in many applications since this sensor is often one of the most expensive and fragile components in the entire drive system. This paper presents a sensorless method of determining the initial rotor position of a direct torque controlled interior permanent magnet (IPM) synchronous motor drive. The method consists of injecting a high frequency voltage to the windings and examining the effects of the saliency on the amplitude of the corresponding stator current components. This method does not depend on the level of static load and on any motor parameters. The magnet polarity of the rotor at its initial position is also identified using the effect of saliency. Modeling and experimental results verify the effectiveness of the proposed method.     

Sensorless position control of induction motors-an emergingtechnology

Concepts for the sensorless position control of induction motor drives rely on anisotropic properties of the machine rotor. Such anisotropies can be incorporated as periodic variations of magnetic saliencies in various ways. The built-in spatial anisotropy is detected by injecting a high-frequency flux wave into the stator. The resulting stator current harmonics contain frequency components that depend on the rotor position. Models of the rotor saliency serve to extract the rotor position signal using phase-locked loop techniques. A different approach makes use of the parasitic effects that originate from the discrete winding structure of a cage rotor. It has the merit of providing high spatial resolution for incremental positioning without sensor. The practical implementation of sensorless position identification and of a high-accuracy position control system are reported     

基于单霍尔传感器的转子位置检测电路的设计

在永磁同步电机矢量控制系统中,常需要高分辨率的转子位置信号.通过设计一个转子位置检测电路将低分辨率的霍尔信号转换成高分辨率的转子位置信号.详细分析了转子位置检测电路的原理,同时对该位置检测电路的静态预估误差和动态过程进行了分析.该电路用于一台高速永磁同步电机驱动系统中,实现了高速永磁同步电机的正弦波驱动的稳速控制.实验结果验证了该文所设计电路的可行性.     

A novel Variable-Reluctance Resolver proposal and its performance analysis under healthy and eccentric cases

A Variable-Reluctance resolver (VR-Resolver) with a novel structure is proposed in this paper as an absolute position sensor, where two possible structures are analyzed. The signals and excitation windings are located on the stator. Hence the slip rings are eliminated in the rotor. The rotor is considered by slot/teeth configuration so the rotor is shaped in a simple variable reluctance structure with a low sensitivity to the manufacturing tolerance. The excitation winding is wound in toroidal configuration that leads to having a smaller fill factor as well as turns can be considered for the windings. Maximum position error (MPE) is evaluated for the proposed resolvers in both healthy and eccentric cases. Therefore, the resolvers performance and their sensitivity to the eccentricity fault are evaluated. A flexible Magnetic Equivalent Circuit (MEC) with adjustable accuracy is used for modeling thanks to its capability and shorter processing time compared to the Finite-Element Method (FEM), where different cases are analyzed by a unique MEC model. Finally, comparison between the MEC and FEM-based results as well as experimental tests are presented to show effeteness of the proposed resolver as an accurate absolute position sensor for industries applications.     

应用于六旋翼飞行器航迹规划的改进Voronoi算法

六旋翼飞行器是一种新型的旋翼飞行器,文中主要针对该飞行器在航迹规划时的Voronoi算法进行了改进,优化了飞行器的航迹规划路线.通过对电院大草坪的树林作为障碍物的情况下,飞行器穿过树林到达空旷地方的航迹规划的数学建模发现,使用传统的Voronoi算法的航迹规划的距离为169.113m,使用改进的Voronoi算法的航迹规划的距离为152.8753m,比起传统的Voronoi算法规划出来的航迹的距离缩短了10.6％.     

基于无人机的“自动控制原理”教学探索

针对《自动控制原理》课程教学中存在学和用两张皮、授课模式单一和学生动手能力差等问题,将无人旋翼机引入到日常理论教学工作中,从而抽象理论与工程对象紧密结合。针对课堂授课内容,设计低成本开放性强的无人旋翼机实践教学平台,通过首尾闭环教学模式和课堂交互模式的优化改进,提高学生对课堂知识点的理解掌握能力,并进一步通过评估体系的优化改进,促进学生重视控制理论在实际工程中的应用,提高学生分析问题和解决问题的能力；改革后的教学方法在教学实践中取得了良好的效果．     

基于TDOA/TSOA的ADS-B虚假信号检测技术研究

广播式自动相关监视(ADS-B)开放式监视构架的特点使其面临易受人为虚假欺骗的安全性挑战。本文设置多个ADS-B基站,利用ADS-B信号的到达时间差(TDOA)与到达时间和(TSOA)对飞机实际位置进行多点定位,与ADS-B信号解码所得位置信息进行比对,从而剔除虚假飞机目标。首先实现ADS-B基站间的时间同步,建立基于TDOA/TSOA的定位模型与算法,给出了利用Friedlander算法获取初值的改进的Taylor级数算法以获取飞机位置。运用蒙特卡洛方法进行了四基站和五基站的仿真实验,结果表明,与现有Taylor级数算法相比,改进算法能提供更精确的飞机位置,并且五基站的定位性能要优于四基站的定位性能。     

基于DSP的永磁同步电机全速范围转子定位

针对传统永磁同步电机矢量控制过程中,需要精确的转子位置进行坐标轴系变换问题,采用一种基于DSP的永磁同步电机转子位置检测和初始定位的方法。该方法在电机静止时使用改进的磁定位法,通过分别两次输出直流转矩,将转子先牵引出定位盲区,然后固定到预定位置进行转子初始定位;在电机运行后采用改进的M/T法,以及可变的采样时间测量速度和转子位置信息。同时在实验平台上验证了该方法,实验结果表明该方法能准确定位转子初始位置,电机在低速和高速时能准确测出转子位置信息,且具有一定的可靠性和有效性。