四旋翼飞行器飞行动力学特性分析

摘要

四旋翼飞行器具有较高的机动性、较低的制造成本以及广泛的应用前景等特点，这使得四旋翼飞行器成为近几年兴起的热门研究课题。四旋翼飞行器的控制模型为强耦合、欠驱动非线性时变系统。为了提高四旋翼飞行器飞行稳定性和动作敏捷性，许多国内和国外的学者都对该系统的控制方法做了深入的研究。为了这一目的，本文围绕四旋翼飞行器飞行动力学特性展开研究，主要研究内容包含建立四旋翼飞行器的模型、设计相关控制方案、不同模式下的力分析及相关实验等。
　　本文在建立力学模型之前，首先介绍了飞行器相关坐标系的情况。在相关坐标系下，对四旋翼飞行器进行受力分析，并建立了四旋翼飞行器的力学模型。对力学模型进行了简化并通过实验等手段测量力学模型的相关参数。然后，依据所推导的飞行器力学模型，建立了四旋翼飞行器的状态空间表达式。对四旋翼飞行器的状态空间表达式进行了解耦控制，将多输入-多输出系统分解成多个单输入-单输出系统，推导出不同模式下相应的轨迹跟踪控制器。同时还进行了相关稳定性、可控性和可观测性分析。最后，设计本论文适用的四旋翼飞行器的实物系统，分析了不同模式下飞行器的受力情况，在搭建的实物平台上，进行了相关的飞行控制及轨迹跟踪实验，其研究结果对提高四旋翼飞行器飞行稳定性和动作敏捷性具有一定参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 历史回顾及国内外研究现状

1．3 关键技术分析

1．4 本文的主要工作和结构安排

2 力学模型的建立

2．1 飞行器力学模型简介

2．2 飞行器的运动形式

2．2．1 四旋翼飞行器简介

2．2．2 升降运动

2．2．3 横滚运动

2．2．4 俯仰运动

2．2．5 偏航运动

2．2．6 水平运动

2．3 坐标系与坐标变换

2．3．1

2．3．2 坐标变换与欧拉角

2．4 四旋翼飞行器力学模型的建立

2．4．1 飞行器所受力与力矩

2．4．2 力学模型建立

2．4．3 模型的简化

2．5 力学模型的参数测量

2．6 本章小结

3 控制方案设计

3．1 控制器方案简介

3．2 状态空间表达式的建立

3．3 状态空间表达式的结构特性

3．3．1 系统的可控性

3．3．2 系统的可观测性

3．3．3 系统的稳定性

3．3．4 系统的极点配置

3．4 解耦控制

3．4．1 可解耦条件

3．4．2 积分型解耦系统

3．4．3 解耦规范型

3．5 渐进跟踪

3．6 内模原理

3．6．1 伺服补偿器设计

3．6．2 镇定补偿器设计

3．7 本章小结

4 四旋翼飞行器平台搭建

4．1 飞行器平台简介

4．2 系统硬件总体设计

4．3 微控制器模块

4．4 姿态解算模块

4．4．1 陀螺仪

4．4．2 加速度计

4．4．3 电子罗盘

4．5 定位模块

4．5．1 GPS定位

4．5．2 气压计

4．6 电机控制模块

4．7 控制信息输入输出模块

4．8 本章小结

5 四旋翼飞行器飞行轨迹控制

5．1 飞行器飞行模式简介

5．2 悬停模式

5．2．1 悬停模式力分析

5．2．2 悬停模式控制

5．2．3 悬停飞行仿真

5．3 直线飞行

5．3．1 直线飞行力分析

5．3．2 直线飞行控制

5．4 曲线飞行

5．4．1 画圆飞行力分析

5．4．2 曲线飞行控制

5．5 关于二次型最优控制

5．6 实验

5．7 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录