小型四旋翼直升机的自动控制系统设计

摘要

本文的主要目的为设计一套完整的四旋翼自动控制系统。该系统不仅包括控制算法的设计,还包括传感器、控制板等相关硬件平台的实现。为了对四旋翼有个全面的了解,本文首先回顾了四旋翼的发展过程,并分析了国内外的研究现状和相关成果,为后续系统的设计提供必要的理论基础。
　　然后在定义的相关坐标系的前提下,通过牛顿力学分别建立了四旋翼的姿态动力学数学模型和位置动力学数学模型。由于四旋翼姿态的高度耦合性,不便于控制器的设计。因此,本文结合实际飞行情况,提出了几点基本假设,并在该假设的基础上将姿态动力学模型进行简化。然后基于简化模型设计了简单可靠的PD控制器。考虑到模型简化误差和外部扰动对系统的影响,最后设计了PD和CMAC(小脑模型神经网络)的混合控制器,不仅提高了系统的鲁棒性,而且该算法计算量小,容易实现。在设计了稳定的姿态控制器的前提下,又分别设计了水平位置控制器和高度控制器。其中,针对水平位置的欠驱动性,本文通过增加虚拟控制量的方式将其变为全驱动,实现了对水平位置的控制。
　　为了完成整个系统的设计,本文对该系统的硬件实验平台进行了详细的描述。尤其针对其中非常重要的传感器系统和控制板两部分,分别其性能、参数以及功能接口等进行了更加详细的说明。在基于所搭建的实验平台的基础上,本文还对数据采集、位置换算、位置数据融合以及PWM控制量换算等系统实现的关键技术进行了详细的讲解。最后通过实验数据的分析对比,验证了该四旋翼自动控制系统的稳定性和可靠性。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 四旋翼的发展历史

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要目标和创新

第二章 小型四旋翼的数学模型

2.1 小型四旋翼的动力学分析

2.2 坐标系定义和坐标旋转

2.3 小型四旋翼数学模型的建立

2.4 本章小结

第三章 小型四旋翼的控制器设计

3.1 总体控制器设计

3.2 姿态控制器设计

3.3 水平位置控制器设计

3.4 高度控制器设计

3.5 本章小结

第四章 自动控制系统实验平台的搭建

4.1 自动控制系统实验平台的总体架构

4.2 动力系统

4.3 传感器系统

4.4 自动控制板

4.5 本章小结

第五章 控制系统关键技术的实现及控制器的仿真验证

5.1 数据采集的实现

5.2 位置解算算法的实现

5.3 位置估计算法的实现

5.4 PWM控制量的换算

5.5 控制器的仿真验证

5.6 本章小结

第六章 自动控制系统的实验验证及结果分析

6.1 姿态控制器实验验证

6.2 位置估计算法实验验证

6.3 高度控制器实验验证

6.4 水平位置控制器实验验证

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果