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。     

四旋翼飞行器控制系统设计

四旋翼飞行器姿态控制是四旋翼飞行器控制系统的核心. 通过分析四旋翼飞行器的飞行原理,模型建立,设计了四旋翼飞行器的姿态控制系统;在该系统中采用STM32系列处理器作为主控芯片,MPU6050三轴加速度集和三轴陀螺仪惯性测量单元、磁力计等传感器用于姿态信息检测. 本文中传感器使用结构简单的数字接口对数据进行交换,运用模块化的思想对系统进行设计. 使用PID控制算法进行姿态角的闭环控制,最终实验结果表明,在实验平台上四旋翼飞行器飞行效果稳定,系统满足四旋翼飞行器飞行姿态控制的要求.     

改进扩展卡尔曼滤波的四旋翼姿态估计算法

为了提高标准扩展卡尔曼姿态估计算法的精确度和快速性,将运动加速度抑制的动态步长梯度下降算法融入扩展卡尔曼中,提出一种改进扩展卡尔曼的四旋翼姿态估计算法。该算法在卡尔曼测量更新中采用梯度下降法进行非线性观测,消除标准扩展卡尔曼算法在线性化时带来的线性化误差,提高算法的准确性和快速性;对梯度下降法的梯度步长进行动态处理,使算法步长与四旋翼飞行器的运动合角速度成正比,增强微型四旋翼飞行器姿态解算的动态性能;对强机动运动过程中机体产生的运动加速度进行抑制处理,消除运动加速度对姿态解算的不利影响,提高了微型四旋翼飞行器姿态解算的跟踪精度。为了验证所设计算法的可行性和有效性,基于STM32单片机搭建四旋翼实验平台系统进行实时在线性能验证。结果表明,所设计算法能提高四旋翼飞行器在强机动、高速运动情况下的姿态跟踪精度、动态性能,增强姿态融合算法的抗干扰性,保证微型四旋翼飞行器的稳定飞行。     

基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器由于其简单的气动布局和复杂的动力学模型在控制领域引起了研究热潮,姿态估计与控制器设计一直是实现四旋翼飞行器稳定飞行的难点。为实现精确的四旋翼飞行器姿态估计,首先分析了IMU传感器示值组成和误差存在的原因,然后在方向余弦矩阵(DCM)和重正交化的基础上,具体给出了Mahony滤波器的实现流程。通过与扩展卡尔曼滤波器对比表明,该算法不仅能保证很高的姿态估计精度,而且计算时间小于扩展卡尔曼滤波器,有助于提高系统姿态估计的实时性。结合Mahony滤波后的姿态信息,采用嵌套PI-PID控制策略设计了控制器。最后,将姿态估计算法和控制算法应用到实验平台上,可以实现四旋翼飞行器悬停和角度跟踪功能。     

基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器由于其简单的气动布局和复杂的动力学模型在控制领域引起了研究热潮,姿态估计与控制器设计一直是实现四旋翼飞行器稳定飞行的难点。为实现精确的四旋翼飞行器姿态估计,首先分析了IMU传感器示值组成和误差存在的原因,然后在方向余弦矩阵（DCM）和重正交化的基础上,具体给出了Mahony滤波器的实现流程。通过与扩展卡尔曼滤波器对比表明,该算法不仅能保证很高的姿态估计精度,而且计算时间小于扩展卡尔曼滤波器,有助于提高系统姿态估计的实时性。结合Mahony滤波后的姿态信息,采用嵌套PI-PID控制策略设计了控制器。最后,将姿态估计算法和控制算法应用到实验平台上,可以实现四旋翼飞行器悬停和角度跟踪功能。     

四旋翼飞行器控制系统设计及可视化仿真

直接对四旋翼飞行器控制系统进行调试,极易引发危险,严重时还会造成人员伤害,针对目前多采用数值仿真验证方法难以直接展示控制效果问题,本文设计一种基于Matlab/SimMechanics软件的四旋翼飞行器飞行控制可视化仿真系统,首先,基于Simulink完成了四旋翼飞行器控制系统设计,然后采用PID控制算法实现了四旋翼飞行器飞行状态直观姿态和飞行数据分析功能,最后通过仿真可以得出结论,所设计的四旋翼飞行器控制可视化仿真系统通过三维可视化窗口,可实时完成四旋翼飞行器实时控制算法演示和仿真,具有重要的应用价值。     

基于emWin图形库的四旋翼飞行器监控系统设计

为了对四旋翼飞行器在飞行过程中实现更加便利的监控,采用LPC1788微处理器和emWin图形库设计了四旋翼飞行器监控系统;按照监控系统的整体设计方案,设计了监控系统的硬件结构以及软件主体框架和程序流程,制定了无线模块的应用层通信协议,调用emWin的API函数创建四旋翼监控系统触摸显示控制屏界面;四旋翼飞行器经过多次飞行测试验证,监控系统实现了同时显示四旋翼飞行器的飞行姿态数据以及控制飞行器启动、飞行和着陆的功能,运行效果好,实用性强.     

基于ADRC的四旋翼飞行器抗干扰控制研究

近年来随着自动控制技术的飞速发展,四旋翼飞行器在军事领域和民用方面均得到了广泛应用。飞行器控制系统的抗干扰能力决定了四旋翼飞行器飞行性能的稳定性和可靠性。飞行器控制系统常采用经典PID(Proportional Integral Derivative)方法,该方法容易受到外界的干扰,增大了控制难度。本文采用自抗扰控制(Auto Disturbances Rejection Control,ADRC)算法对四旋翼飞行器模型的飞行位置和姿态进行了控制。通过与PID算法控制结果对比,可以得到以下结论:基于ADRC算法控制的四旋翼飞行器起飞1-2s后,其飞行位置、姿态、位置和姿态回路扰动均与期望值有较高的重叠性,同时飞行器的水平和空间飞行轨迹呈现出圆滑、平稳。因此,ADRC能够有效地解决飞行器的内部通道耦合和外部干扰等问题,使得四旋翼飞行器能更加方便、可靠、稳定地应用于各个领域。     

基于Anti-windup PID的四旋翼飞行器姿态控制研究

针对四旋翼飞行器姿态控制问题,设计一种Anti-windup PID姿态控制器。结合四旋翼飞行器简化的数学模型,在飞行器在垂直速率、俯仰速率、翻滚速率、偏航速率4个独立通道上分别设计了PID控制器和Anti-windup PID控制器。在MATLAB/SIMULINK环境下,对控制四旋翼飞行器姿态的两种算法进行仿真分析。仿真结果表明,Anti-windup PID控制方法在性能上明显优于PID,对飞行器有良好的控制效果。用Anti-windup PID算法搭建的四旋翼飞行器的物理实验平台更好地验证了该算法的有效性。     

小型四旋翼飞行器试验平台设计

为了实现小型四旋翼飞行器的自主导航,进行自主飞行的相关试验,并为控制器设计和微小型导航系统性能试验等研究工作提供实体验证平台,开展了小型四旋翼飞行器系统的设计.完成了系统的模块化设计,进行硬件电路设计和调试以及平台的搭建,实现导航、控制、通信等功能模块的集成.设计PC机监控软件,完成了基于USB HID协议的操纵杆数据读取,对操纵杆遥控控制模式下小型四旋翼飞行器进行实时监测,实现人机交互、控制方式选择、对飞行姿态和路线的设置、飞行器导航参数的显示等功能,开展了飞行试验,验证所设计平台各功能模块的可行性.