四轴飞行器姿态控制系统设计

四轴飞行器具有不稳定、非线性、强耦合等特性,姿态控制是四轴飞行器飞行控制系统的核心;通过分析四轴飞行器的飞行原理,根据其数学模型和系统的功能要求,设计了四轴飞行器的姿态控制系统;该系统采用stm32系列32位处理器作为主控制器,使用ADIS16355惯性测量单元等传感器用于姿态信息检测;系统基于模块化设计的思想,各传感器都使用数字接口进行数据交换,结构简单;使用PID控制算法进行姿态角的闭环控制,实验结果表明,飞行器能较好的稳定在实验平台上,系统满足四轴飞行器室内飞行姿态控制的要求.     

基于DSP四旋翼飞行器姿态控制系统硬件设计

姿态控制是具有六自由度四输入欠驱动系统的四旋翼飞行器飞行控制系统的核心,文章基于DSP对飞行器的姿态控制系统进行硬件设计。设计采用TMS320F28335作为主控制器,使用ADISl6355惯性测量单元进行姿态信息检测,超声波传感器进行高度的测量。多次室内实验表明,所设计硬件系统性能可靠,满足飞行器姿态控制的要求。     

基于多传感器的四旋翼飞行器硬件系统设计

四旋翼飞行器由于其简单的机体结构与较为复杂的姿态控制,近年来在军用和民用领域广泛应用。旨在通过四旋翼飞行器飞控平台的搭建,实现对飞行器姿态的稳定控制。首先论述了四旋翼飞行器的飞行原理与机械结构,给出了硬件系统总体结构。在对各功能模块整合的基础上,实现基于多传感器的控制系统硬件电路设计。仿真与实验证明：多传感器使用过程中,通过卡尔曼滤波进行姿态数据的融合,有效地解决了加速度计、陀螺仪易受外界干扰问题,所设计硬件系统在飞行实验中性能稳定,为四旋翼的稳定控制提供了参考。     

四旋翼无人飞行器实验平台设计及姿态控制研究

为了实现四旋翼无人飞行器姿态的稳定控制并验证控制算法的性能,设计了一种可用于四旋翼无人飞行器姿态控制算法研究及控制性能测试的物理实验平台;首先,利用牛顿-欧拉法建立了四旋翼无人飞行器的六自由度动力学模型;其次,对姿态传感器数据进行融合,利用互补滤波算法实现对四旋翼飞行器姿态进行快速准确解算;然后,在MATLAB环境下搭建了四旋翼飞行器仿真模型,并设计改进的PID控制器对飞行姿态进行了仿真;最后,搭建了一个四旋翼无人飞行器姿态控制的物理实验平台,进行了飞行器姿态控制算法的性能测试;实验结果表明了四旋翼无人飞行器实验平台设计的合理性和正确性,是一种快速有效的飞行器姿态控制算法性能测试实验平台。     

语音控制的四旋翼飞行器设计与实现

基于语音识别技术,设计了一套语音远程控制四旋翼飞行器的系统。使用LD3320语音处理芯片和STM32微处理器实现语音识别功能,采用NRF24L01将识别结果传输到飞行器。选用STM32作为四旋翼飞行器的主控芯片,采用六轴运动组件MPU6050、三轴数字罗盘HMC5583L等传感器对飞行器的姿态进行实时测量,再利用数字滤波器对姿态信息进行处理,然后采用四元数进行姿态解算,最后运用双闭环PID控制算法实现姿态控制的要求。测试结果表明,通过语音可以控制四旋翼的正常飞行及姿态变化,系统稳定可靠。     

六轴旋翼碟形飞行器控制系统软件设计及仿真研究

采用了控制不同电机转速组合的方法,对六轴旋翼碟形飞行器进行姿态控制,使六轴旋翼碟形飞行器在不同姿态下飞行时具有较好的性能;为了实现六轴旋翼碟形飞行器的飞行控制,对飞行器的控制系统进行了初步的设计,并且给出了控制系统软件设计流程图;同时以ProtuesISIS软件为基础建立了六轴旋翼碟形飞行器控制系统的仿真模型,并进行了仿真,仿真结果显示该控制系统能够满足六轴旋翼碟形飞行器起飞、悬停及降落等控制姿态的要求。     

基于PID的四旋翼飞行器姿态控制系统

飞行控制系统很大程度上决定了四旋翼飞行器的飞行性能。分析飞行器模型,并在此基础上设计实现一种基于PID(Proportion, Integration, Differentiation)控制方法的飞行器姿态控制系统。整个控制系统包括第1阶段的四元数姿态解算（PI）和第2阶段的油门计算（PID）。通过PI方法融合加速度和角速度传感器的输出,计算出飞行器当前的姿态角;通过PID方法融合当前姿态和目标姿态控制电机油门输出。上位机通过蓝牙获取飞行器数据,结果显示该系统能很好地保持飞行器的稳定姿态。     

四旋翼飞行姿态测试平台设计及稳定性分析

四旋翼飞行器非线性、强耦合以及欠驱动的特性极大地增加了算法设计与姿态控制的难度。为了减少四旋翼飞行器飞行过程中不必要的干扰因素和事故率,自主设计了四旋翼飞行姿态测试平台。通过对系统进行受力分析和动态建模,采用能够快速稳定的双闭环串级PID控制算法设计了姿态控制器,并使用卡尔曼滤波算法进行姿态估计,然后分别在Matlab环境和平台上验证了飞行姿态的稳定性。实验结果表明了平台设计的合理性和可行性,是一种有效的四旋翼飞行姿态测试平台。     

基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

四旋翼飞行器控制系统的性能决定了飞行效果的优劣,如何改善飞行控制系统使其拥有更良好的表现成为近几年的研究热点。根据四旋翼飞行器的飞行原理,设计了一种新型四旋翼飞行器控制系统。该系统以STM32作为主控制器,配合各姿态传感器实现飞行器姿态及位置的控制,并结合以姿态角为主要误差源的双环结构PID控制器,提高了飞行器的平稳性。经实际飞行验证,该飞行控制系统方案能够取得较稳定的飞行效果。     

变桨距四旋翼飞行器控制系统设计

变桨距四旋翼飞行器是通过改变旋翼的桨距大小来改变升力的,这种控制策略可使飞行器姿态的响应和控制的延迟都会小很多,同时可以节省资源和能耗。通过分析对比变桨距与传统的变转速四旋翼飞行器的结构和飞行原理,根据其数学模型和控制要求,设计了变桨距四旋翼飞行器的控制系统。该系统采用STM32F427微处理器作为主控制器,使用MPU6000等惯性测量单元及其他传感器用于检测飞行器的位置、姿态;基于四元数方法进行姿态解算;利用PID控制算法对飞行器姿态、高度进行闭环控制。试飞结果表明,变桨距四旋翼飞行器能够稳定飞行,满足系统要求。     

Dynamic Compensation for Control of a Rotary wing UAV Using Positive Position Feedback

This paper presents a novel compensation method for the coupled fuselage-rotor mode of a Rotary wing Unmanned Aerial Vehicle (RUAV). The presence of stabilizer bar limits the performance of attitude control of an RUAV. In this paper, a Positive Position Feedback (PPF) is introduced to increase the stability margins and allow higher control bandwidth. The identified model is used to design a PPF controller to mitigate the presence of stabilizer bar. Parameters for the linear RUAV model are obtained by performing linear system identification about a few selected points. This identification process gives complete RUAV dynamics and is suitable for designing a Stability Augmentation System (SAS) of an RUAV. The identified parameters of an RUAV model are verified using experimental flight data and can be used to obtain the nonlinear model of an RUAV. The performance of the proposed algorithm is tested using a high-fidelity RUAV simulation model, which is validated through experimental flight data. The closed-loop response of the rotorcraft indicates that the desired attitude performance is achieved while ensuring that the coupled fuselage-rotor mode is effectively compensated without penalizing the phase response.     

基于PWPF调制技术的飞机飞行姿态控制系统软件设计

为实现飞机行进轨迹多波段同时调节，使其飞行姿态能够受到软件程序的有效控制，设计基于PWPF调制技术的飞机飞行姿态控制系统软件程序。根据时钟配置情况，设置CAN通信接口，并以此为基础，完成对导航仪与舵机状态的检测，再联合偏航距离校正结果，规范核心控制程序的编写形式，实现系统各软件模块功能的设计。建立自抗扰闭环，按照PWPF调制技术的静态作用需求，求解二次规划函数，完成基于PWPF调制技术的控制机制定义。在反步控制器运行过程中，推导非线性建模表达式，实现对飞机飞行姿态控制行为的建模，完成基于PWPF调制技术的飞机飞行姿态控制系统软件设计。实验结果表明，基于PWPF调制技术所设计的软件程序，在X波、C波、S波、L波的波频范围内，均能有效控制飞机的飞行姿态，与多波段调节飞机行进轨迹的实际应用诉求相符合。     

Robust attitude tracking control of small-scale unmanned helicopter

Robust attitude control problem for small-scale unmanned helicopters is investigated to improve attitude control performances of roll and pitch channels under both small and large amplitude manoeuvre flight conditions. The model of the roll or pitch angular dynamics is regarded as a nominal single-input single-output linear system with equivalent disturbances which contain nonlinear uncertainties, coupling-effects, parameter perturbations, and external disturbances. Based on the signal compensation method, a robust controller is designed with two parts: a proportional-derivative controller and a robust compensator. The designed controller is linear and time-invariant, so it can be easily realised. The robust properties of the closed-loop system are proven. According to the ADS-33E-PRF military rotorcraft standard, the controller can achieve top control performances. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy.     

Comparative Results on Stabilization of the Quad-rotor Rotorcraft Using Bounded Feedback Controllers

In the recent years autonomous flying vehicles are being increasingly used in both civil and military areas. With the advancement of the technology it has become possible to test efficiently and cost-effectively different autonomous flight control concepts and design variations using small-scale aerial vehicles. In this paper the stabilization problem of the quad-rotor rotorcraft using bounded feedback controllers is investigated. Five different types of nonlinear feedback laws with saturation elements, previously proposed for global control of systems with multiple integrators, are applied and tested to control the quad-rotor rotorcraft roll and pitch angles. The results obtained from autonomous flight simulations and real time experiments with the Draganflyer V Ti four-rotor mini-rotorcraft are analyzed with respect to the structural simplicity of the control schemes and the transient performance of the closed-loop system.     

基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统

传统飞机飞行姿态滑膜控制系统,存在飞机飞行姿态自适应系数稳定性差的问题,在控制过程中会受到多重因素影响,导致飞行姿态可控误差系数增大,需要辅助控制系统修正才能完成飞行姿态的控制操作;针对上述问题,提出基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统;系统硬件基于PID自适应滑模控制器,对飞机飞行姿态控制器进行结构设计;软件部分通过引入自适应滑模控制策略,对PID控制器姿态控制变量进行适配;引入AFSMC算法计算姿态控制器当前时间点下的运动控制方程,得到飞行姿态自适应滑模控制的最优量,完成基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统设计;实验结果表明,所设计系统能够在不同飞行工况下,对飞机飞行姿态作出准确控制,系统的整体控制精度范围为90%~97.4%,飞机飞行控制稳定性较好,有效提升了系统对飞机飞行姿态的控制准确度。     

四旋翼微型飞行器控制系统设计

四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置,通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统;为了实现四旋翼微型飞行器的自主飞行控制,对飞行控制系统进行了初步设计,并且以C8051F020单片机为计算控制单元,给出了飞行控制系统的硬件设计,研究了设计中的关键技术;由于采用贴片封装和低功耗的元器件,使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点;经过多次室内试验,该硬件设计性能可靠,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。     

飞行姿态控制系统半物理仿真平台开发

飞行姿态控制系统作为飞机姿态控制的重要组成部分，对飞机起降、空中姿态调整具有重要影响。为快速建立液压作动系统数值计算模型、飞行员操纵及控制单元、舵面及起落架演示单元等实验实物环节，基于 Automation Studio液压设计及仿真专用软件，设计与开发了某型飞机飞行姿态控制系统的半物理仿真实验平台。给出了飞行姿态控制系统半物理仿真平台软总体方案、硬件组成、工作原理及开发和实验流程。最后，以飞机方向舵为例，开发了包括液压油油箱、液压马达、控制阀门、作动筒及管道、溢流阀、限位开关等装置的数值计算模型，液压阀位置数字PID调节器，结合舵面及其加载演示系统PLC控制程序，配合现场人员的实际操控动作，开展了方向舵液压作动随动控制系统半物理仿真实验研究，试验并分析了飞机机翼液压作动系统位置随动过程中的运行工况，并记录关键的实验数据曲线，为飞行姿态控制系统研究提供了一种直观的仿真及分析实验方法。     

An adaptive vision-based autopilot for mini flying machines guidance,navigation and control

The design of reliable navigation and control systems for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) based only on visual cues and inertial data has many unsolved challenging problems, ranging from hardware and software development to pure control-theoretical issues. This paper addresses these issues by developing and implementing an adaptive vision-based autopilot for navigation and control of small and mini rotorcraft UAVs. The proposed autopilot includes a Visual Odometer (VO) for navigation in GPS-denied environments and a nonlinear control system for flight control and target tracking. The VO estimates the rotorcraft ego-motion by identifying and tracking visual features in the environment, using a single camera mounted on-board the vehicle. The VO has been augmented by an adaptive mechanism that fuses optic flow and inertial measurements to determine the range and to recover the 3D position and velocity of the vehicle. The adaptive VO pose estimates are then exploited by a nonlinear hierarchical controller for achieving various navigational tasks such as take-off, landing, hovering, trajectory tracking, target tracking, etc. Furthermore, the asymptotic stability of the entire closed-loop system has been established using systems in cascade and adaptive control theories. Experimental flight test data over various ranges of the flight envelope illustrate that the proposed vision-based autopilot performs well and allows a mini rotorcraft UAV to achieve autonomously advanced flight behaviours by using vision.     

基于TMS320F28335的小型无人旋翼机数据采集系统

大气数据的采集对于小型无人旋翼机飞行的控制具有关键性的作用,针对小型无人旋翼机的飞行控制需求,利用数字式MEMS传感器和TMS320F28335芯片设计了一种装载于小型无人旋翼机上双采集装置的大气数据采集系统.通过传感器采集数据,实时解算出控制无人旋翼机飞行所需要的空速等数值,同时采用线性插值等算法来提高计算性能.该系统体积小,功耗低,抗干扰能力强等优点,能够满足小型无人旋翼机的需求,为小型无人旋翼机数据采集系统在实际中的应用做了一定的理论工作.