混合动力多旋翼飞行器振动滤波算法的研究

摘要

新型混合动力多旋翼飞行器由汽油机单旋翼和电动多旋翼飞行器组成。汽油机旋翼作为主动力，主要提供飞行器大部分重量的静升力；电动多旋翼作为辅助动力，主要用于飞行姿态的控制。混合动力多旋翼飞行器由于油机动力的加入，弥补了传统多旋翼飞行器的飞行时间过短、载荷过小的缺点。可主要用于公安消防、灾情救援、无人机快递、农业植保等领域。
　　实验发现，加上汽油机动力单旋翼的X型电动四旋翼飞行器，由于汽油机动力旋翼带来的机体振动使得其飞行姿态变得不可控制，其根本原因在于飞行控制传感器的采样数据受到了噪声干扰，原有的纯电动机旋翼的滤波算法已不再适合，需要研究新的振动滤波算法和姿态解算算法来进行合理有效的滤波。
　　本文以实验室小型偏心轮电机五旋翼飞行器为实际对象，用普通电动机加偏心轮旋翼模型替代汽油机动力旋翼并对其振动特性进行频谱匹配，不仅大大简化了实验难度，同时验证了该实验模型的可行性，为后期进一步对混合动力多旋翼飞行器的研究提供了一个简单可靠的平台。
　　实验采用自行搭建的小型五旋翼飞行器模型机，飞行姿态描述采用牛顿-欧拉模型，首先对小型五旋翼飞行器进行数学建模，在此基础上进行飞行器的硬件平台总体设计，进而进行飞行器控制系统设计以及算法选取和软件编程，最后在模型机上进行了系统调试和实验验证，最终实现了小型五旋翼飞行器模型机的垂直起降和悬停动作，以及俯仰，横滚，偏航飞行姿态控制。
　　基于实验室五旋翼飞行器的强噪声、非线性等特点，根据五旋翼飞行器的状态方程，在原有算法基础上加入卡尔曼滤波算法，以及在原有的经典PID控制结构的基础上，设计了一种串级PID控制结构的双环姿态控制器。实验结果表明，新算法比原有算法在抗噪声能力方面更加优异，姿态解算中获得更为精确的姿态角；改进串级PID控制器在姿态角控制过程中可以得到更好地控制效果。

目录

声明

1 绪论

1.1课题背景和意义

1.2多旋翼飞行器国内外研究现状

1.3论文研究的主要内容和章节安排

2 混合动力多旋翼飞行器的理论建模

2.1混合动力多旋翼飞行器结构及控制原理

2.2坐标变换

2.3混合动力多旋翼飞行器运动建模

2.4本章小结

3 混合动力多旋翼飞行器硬件实验平台

3.1混合动力多旋翼飞行器硬件平台总体设计

3.2飞行器硬件执行部分

3.3微控制器系统及各传感器模块

3.4实验平台搭建

3.5本章小结

4 混合动力多旋翼飞行器控制系统设计

4.1飞控系统算法简介

4.2飞控系统算法设计

4.3飞控系统程序设计

4.4本章小结

5 混合动力多旋翼飞行器实验与结果分析

5.1实验设计

5.2实验一：汽油机旋翼与偏心轮电机旋翼等效模型实验

5.3实验二：五旋翼飞行器算法验证

5.4五旋翼飞行器试飞实验

5.5本章小结

6 总结与展望

（1）总结

（2）展望

致谢

参考文献