多旋翼无人机机载两轴增稳云台控制系统研究

摘要

为获取高质量的低空遥感影像，无人机机载航拍设备必须固定在高精度增稳云台之上。通过稳定控制技术保持增稳云台在惯性空间中的姿态稳定，从而维持航拍设备视轴的稳定，进而获取稳定清晰的视频图像。为获得稳定、清晰、抖动小的视频图像，研究和设计一款稳定精度高、响应速度快、超调量小的无人机机载增稳云台具有重要理论意义和实用价值。 本文分为三部分：1）概述国内外无人机机载增稳云台的发展现状以及稳定控制技术的研究现状；2）论述增稳云台的机械结构、物理模型和所受扰动来源，并对其工作原理进行分析；3）围绕增稳云台的控制，重点开展了增稳云台姿态检测和电机位置伺服控制的研究工作。 本文采用MEMS惯性传感器对增稳云台的姿态进行检测，为提高姿态检测精度，将离散Kalman滤波算法应用于多传感器信息融合姿态解算。与互补滤波算法相比，采用离散Kalman滤波算法的姿态检测模块检测精度得到提高。 本文选用无刷直流电机作为增稳云台的执行机构。首先，为减小电机力矩脉动，分析了磁场定向控制在无刷直流电机位置伺服控制系统中的应用；其次，分析了该控制系统的三闭环控制结构，并使用MATLAB的SIMULINK工具箱搭建仿真模型；最后，为提高系统动态性能，提出了三闭环控制系统的逻辑规则+PI控制算法。仿真结果表明，采用逻辑规则+PI控制的无刷直流电机位置伺服控制系统具有超调小、稳态精度高、抗扰动性强的特点，在上升时间上，逻辑规则+PI控制仅为PID控制的53.8%。 为对上述控制方法进行实验验证，搭建了两轴增稳云台实验样机。在静态实验中，两种控制方法的超调量均很小，各轴稳态误差均小于0.15°，但相对于PID控制，采用逻辑规则+PI控制时，俯仰轴和横滚轴上升时间分别减小了13.4%、11.5%。在动态实验中，增稳云台采用PID控制时，俯仰轴和横滚轴的姿态角最大绝对误差分别小于0.48°、0.52°；采用逻辑规则+PI控制时，俯仰轴和横滚轴最大绝对误差分别小于0.40°、0.43°，俯仰轴和横滚轴的姿态控制精度分别提高了16.7%和17.3%。地面模拟实验和实际飞行实验表明，采用逻辑规则+PI控制的两轴增稳云台具有良好的增稳效果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2研究背景

1.3国内外增稳云台发展现状

1.4增稳云台稳定控制技术研究现状

1.5本文的研究内容及章节安排

第二章 两轴增稳云台的控制分析

2.1两轴增稳云台结构

2.2两轴增稳云台增稳原理及扰动分析

2.3两轴增稳云台控制系统结构

2.4本章小结

第三章 两轴增稳云台姿态检测

3.1姿态解算

3.2互补滤波融合解算

3.3离散Kalman滤波融合解算

3.4本章小结

第四章 增稳云台执行机构位置伺服控制研究

4.1增稳云台执行机构的选取

4.2无刷直流电机磁场定向控制

4.2.1坐标变换

4.2.2三相无刷直流电机数学模型

4.2.3空间矢量控制技术

4.3增稳云台姿态控制策略分析

4.4控制器设计

4.4.1 PID控制

4.4.2逻辑规则控制

4.4.3逻辑规则+PI控制

4.5无刷直流电机位置伺服控制系统仿真研究

4.5.1仿真模型主要模块的搭建

4.5.2仿真实验及结果分析

4.6本章小结

第五章 两轴增稳云台软硬件设计与实验分析

5.1两轴增稳云台硬件设计

5.1.1两轴增稳云台硬件总体构成

5.1.2主控制器模块电路设计

5.1.3 DC-DC电源电路设计

5.1.4无刷直流电机驱动电路设计

5.1.5无刷直流电机定子电流检测电路设计

5.1.6无刷直流电机转子位置检测电路设计

5.1.7姿态检测模块电路设计

5.2两轴增稳云台控制系统软件设计

5.2.1两轴增稳云台嵌入式软件设计

5.2.2两轴增稳云台上位机软件设计

5.3搭建实验样机

5.4实验测试及分析

5.4.1姿态检测实验结果

5.4.2姿态控制实验结果

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间取得的研究成果