倾转四旋翼无人机两种模式姿态控制方法研究

摘要

近年来，一种结合旋翼无人机和固定翼无人机优点的新型无人机—倾转四旋翼无人机(UQTW)引起了很多科研工作者和工程人员的注意。该无人机兼具可垂直起降、机动性强与大航程高速度的优点，在军用与民用领域具有广泛的应用前景。本文以UQTW为研究对象，重点研究了UQTW在过渡飞行阶段和垂直起降阶段的姿态控制方法。
　　首先，本文针对实际情况进行了微控制器、执行器和传感器等器件的选型;然后对倾转四旋翼无人机的飞控电路与通信系统进行了介绍;最终搭建了倾转四旋翼无人机的硬件平台。
　　其次，本文对UQTW进行动力学分析，得到了UQTW的数学模型并做了相应的简化处理。在此基础上，针对过渡飞行模式设计了基于自适应反步法的姿态控制系统，针对垂直起降模式设计了基于模型参考滑模的姿态控制系统。并且，由于所设计的控制系统是基于反馈的闭环系统，所以本文设计了一套基于四元数和梯度下降法的多传感器数据融合姿态解算方法。然后，本文对所设计的控制系统进行了仿真实验。仿真结果表明，在过渡飞行模式下，本文所设计的姿态控制系统可以使得无人机在低速飞行的状态下实现姿态控制并可以平稳过渡;在垂直起降模式下，本文所设计的姿态控制系统可以稳定地跟踪遥控器给定的信号从而实现姿态控制。
　　最后，本文在UQTW平台的基础上，设计了嵌入式飞控软件，实现了垂直起降模式下的姿态控制方法。实验结果表明无人机在垂直起降模式下的姿态控制有较好效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 国外研究历史和现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究内容及章节安排

1．3．1 研究内容

1．3．2 章节安排

第二章 UQTW平台简介

2．1 引言

2．2 UQTW机体介绍

2．3 UQTW控制系统硬件简介

2．3．1 UQTW控制系统整体框架

2．3．2 控制芯片模块

2．3．3 电机与舵机模块

2．3．4 传感器模块

2．3．5 电源模块

2．3．6 无人机通信系统

2．4 本章小结

第三章 UQTW建模

3．1 引言

3．2 坐标系及坐标转换

3．3 UQTW总体建模

3．4 UQTW机体受力分析

3．4．1 旋翼产生的力与力矩

3．4．2 机翼产生的力与力矩

3．4．3 重力与机身阻力

3．5 UQTW的动力学模型

3．5．1 过渡飞行模式下的动力学模型

3．5．2 垂直起降模式与飞机模式下的姿态角动力学模型

3．6 本章小结

第四章 过渡飞行模式下基于自适应反步法的姿态控制

4．1 引言

4．2 反步法与自适应反步法简介

4．2．1 反步法控制方法

4．2．2 自适应反步法控制方法

4．3 模型简化与子系统划分

4．4 姿态控制器设计

4．4．1 基于反步法的控制器设计

4．4．2 基于自适应反步法的姿态控制器设计

4．5 仿真实验与分析

4．5．1 控制器参数分析

4．5．2 不同倾转角度下姿态角的控制效果

4．5．3 抗干扰分析

4．5．4 自动过渡阶段控制效果

4．6 本章小结

第五章 垂直起降模式下基于模型参考滑模的姿态控制

5．1 引言

5．2 垂直起降模式下姿态改变原理

5．3 由输入指令到姿态角的模型

5．4 基于模型参考滑模控制理论的姿态控制

5．4．1 模型参考滑模控制简介

5．4．2 姿态控制器设计

5．4．3 仿真实验

5．5 姿态解算法的设计

5．5．1 四元数法简介

5．5．2 基于梯度下降的多传感器数据融合算法

5．5．3 仿真实验

5．6 飞控软件的设计与实现

5．6．1 主程序总体设计

5．6．2 数据采集与处理

5．6．3 飞行实验

5．7 本章小节

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 本文存在不足和展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果