微小型四旋翼飞行器控制算法研究与应用

摘要

微小型四旋翼飞行器由于其结构简单、操作灵活，并具有垂直起降、稳定性高的特点，可以适应复杂多变的外界环境，使得其在搜寻救援、测绘、危情监视等范畴得到了越来越广泛的应用。同时，鉴于四旋翼本身具有非线性、欠驱动的特点，其逐步成为控制领域中一个较为典型的被控对象，本文将采取多种控制方法对四旋翼展开深入分析和研究，并通过仿真和应用实验加以验证。论文的主要研究工作如下:
　　首先，介绍了微小型四旋翼飞行器的机械结构和控制工作原理，推导出了导航系与机体系之间的坐标转换关系;根据力学相关理论，建立了四旋翼在导航坐标系的动力学模型，为后续章节研究做基础。
　　其次，将四旋翼飞行器控制系统分解成全驱动子系统和欠驱动子系统，结合反演控制和滑模控制方法对两个子系统分别设计了控制律。利用Simulink搭建微小型四旋翼飞行器仿真系统，通过仿真实验验证了该方法的可行性。
　　再次，针对四旋翼在真实环境中周围具有未知和不确定性的问题，设计了一种自适应反演滑模控制器，通过对比实验来分析以上两种控制器的优劣性，得出后者在调节时间和响应速度上等较优于前者;同时，在飞行器稳定飞行过程中外加突发信号给予干扰，分析了其抗干扰能力。
　　最后，考虑到微小型四旋翼飞行器在无GPS信号下的导航问题，将视觉传感器加入到四旋翼系统中。搭建出微小型四旋翼飞行器的实验平台，通过摄像头获取图像信息并采取光流块匹配方法来得到飞行器的水平位置信息，融合飞控上的当前姿态信息，完成了视觉辅助的微小型四旋翼飞行器室内自主飞行的实验。

目录

声明

摘要

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状及成果

1.3 微小型四旋翼飞行器关键技术发展趋势

1.4 论文主要研究内容

第2章 微小型四旋翼飞行器的原理与模型

2.1 引言

2.2 四旋翼飞行器的结构与原理

2.2.1 机械结构

2.2.2 控制原理

2.3 四旋翼飞行器动力学模型

2.3.1 坐标系与变换矩阵

2.3.2 动力学模型的建立

2.3.3 动力学模型的简化

2.4 本章小结

第3章 基于反演法的四旋翼飞行器滑动模态控制

3.1 引言

3.2 反演与滑模概念

3.2.1 反演控制方法简介

3.2.2 滑模控制方法简介

3.3 基于反演法的飞行器滑模控制器设计

3.3.1 全驱动通道控制器

3.3.2 欠驱动通道控制器

3.4 实验结果与分析

3.4.1 微小型四旋翼飞行器仿真系统介绍

3.4.2 仿真实验结果与分析

3.5 本章小结

第4章 微小型四旋翼飞行器自适应反演滑模控制

4.1 引言

4.2 自适应控制器设计

4.2.1 自适应控制技术

4.2.2 四旋翼飞行器自适应控制器设计

4.3 仿真实验与结果分析

4.3.1 四旋翼飞行器自适应仿真实验

4.3.2 外部扰动实验与分析

4.4 本章小结

第5章 微小型四旋翼飞行器室内自主导航实验研究

5.1 引言

5.2 块匹配光流算法分析

5.2.1 块匹配光流算法原理

5.2.2 常见的块匹配准则

5.2.3 基于SAD匹配准则的四旋翼飞行器水平运动估计

5.3 微小型四旋翼飞行器系统设计与实现

5.3.1 微小型四旋翼飞行器的整机设计

5.3.2 视觉信息处理模块

5.4 基于光流的飞行控制实验

5.4.1 无传感器辅助定位实验

5.4.2 视觉辅助定位实验

5.5 本章小结

6.1 论文工作总结

6.2 进一步工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

攻读硕士学位期间参加的科研项目