多旋翼无人机位姿估计与控制技术研究

摘要

多旋翼无人机以其成本低、噪声小、机动性强、维护便捷等优点，在军事及民用领域诞生得到了不少成功应用。本文针对多旋翼无人机导航与控制的关键问题，以实现稳定飞行为目标，开展了一系列的研究工作，具体包括以下内容：
　　使用四元数微分方程进行姿态更新，给出了基于MEMS陀螺仪、加速度计和地磁传感器的扩展卡尔曼滤波姿态解算算法；采用高斯—牛顿法通过加速度计和磁场计测量值构造四元数形式的卡尔曼滤波器观测量，并对计算过程进行优化得到降维的雅克比矩阵，提升了算法效率。
　　研究了当地导航坐标系下的捷联惯性导航方程及INS更新算法，推导了当地导航坐标系下的INS误差方程，在此基础上使用载体相对原点的距离描述位置误差，得到位置误差形式的INS误差方程；在此基础上，构建了多传感器位置速度松组合导航的卡尔曼滤波模型，实现了对无人机位置、速度及姿态的最优估计。
　　基于鲁棒伺服LQR控制理论设计了多旋翼无人机的姿态稳定控制律和航向增稳控制律，完成了内回路控制律设计，在此基础上分别采用经典控制方法和积分反步控制理论设计了高度回路和水平轨迹回路的增稳控制律，实现了对无人机的内外环控制。
　　提出一种采用分布式架构的三余度多旋翼无人机飞控系统硬件方案，基于低成本MEMS器件具体设计了主控单元的硬件原理和电路；在硬件平台上对姿态解算、组合导航以及姿态、轨迹增稳控制进行了实际测试和验证。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究主要内容

第二章 捷联姿态解算算法研究

2.1 引言

2.2 捷联姿态解算基础

2.3 基于EKF的捷联姿态解算

2.4 仿真算例

2.5本章小结

第三章 多传感器组合导航算法

3.1 引言

3.2 INS导航算法研究

3.3 松组合导航算法

3.4 仿真算例

3.5 本章小结

第四章 多旋翼无人机运动建模

4.1 引言

4.2 结构布局

4.3 飞行原理

4.4 电机动力系统模型

4.5 六旋翼无人机模型

4.6 状态空间模型

4.7 本章小结

第五章 六旋翼无人机飞行控制律设计

5.1 引言

5.2 鲁棒伺服LQR控制理论基础

5.3 基于RSLQR的姿态控制律设计

5.4 轨迹跟踪经典控制律设计

5.5 基于积分反步的轨迹跟踪控制律设计

5.6 本章小结

第六章 多旋翼无人机飞控系统设计与实现

6.1 引言

6.2 飞控系统整体架构设计

6.3 主控单元硬件设计

6.4 惯性传感器振动噪声处理

6.5 实验测试

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文研究工作总结

7.2 存在问题及后期研究方向

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文