基于观测器的四旋翼无人机姿态控制
这是一篇关于四旋翼无人机,姿态控制,观测器,滑模控制,有限时间的论文, 主要内容为四旋翼无人机具有灵活、高效、方便等特点,在交通、建筑、防灾救援、航道巡查等领域中应用广泛。四旋翼无人机抗干扰能力较弱且极易受到外部环境的影响,这些都增大了其控制难度。因此,一个稳健、可靠的控制方法就显得尤为重要。本文着重于四旋翼无人机的姿态控制问题,将观测器与控制器相结合,针对存在一种或多种干扰的情况下,在有限时间内实现其姿态角的精确、快速跟踪,并且通过软、硬件仿真验证了所设计算法的有效性。其主要工作归纳如下:(1)针对存在未建模动态和环境干扰(一般假定干扰导数界已知)的四旋翼无人机姿态控制系统,设计有限时间扩张状态观测器对未建模动态和环境干扰组成的集总未知数进行估计,利用估计值设计基于未知补偿的互补滑模控制器来实现精确地轨迹跟踪。并且利用Lyapunov理论证明了系统的稳定性,从而建立一个无模型的有限时间控制方案。最后,通过数值仿真对算法的有效性进行了验证。(2)与上述干扰导数界已知不同,本章节研究干扰导数界未知的情况下,设计自适应滑模干扰观测器对干扰进行快速估计,并利用估计值设计基于干扰补偿的非奇异终端滑模控制器来实现快速、精确地轨迹跟踪。接着,通过证明得出干扰的估计误差以及四旋翼无人机轨迹跟踪误差均可实现在有限时间内稳定。最后通过半实物仿真对算法的有效性进行了验证。(3)针对存在复杂非线性干扰与部分已知信息干扰的四旋翼无人机姿态控制系统设计双观测器。首先,对于复杂的非线性可微干扰采用扩张状态观测器进行估计,其次,对于部分已知信息的干扰用外生系统模型进行描述,并用干扰观测器进行估计。然后,利用双观测器的估计值设计基于双干扰补偿的滑模控制器来实现姿态控制。利用Lyapunov理论对系统进行稳定性证明,实现对姿态系统的复合抗干扰。最后,通过仿真实验,对所设计双观测器和控制器的有效性进行了验证。
无斜盘单旋翼系统电磁调姿方法与试验研究
这是一篇关于飞行器,无斜盘,电磁调姿,姿态控制,试验研究的论文, 主要内容为2021年,美国“毅力号”火星车搭载的“机智号”旋翼式飞行器在火星表面成功起飞,这是人类首次实现地外飞行探测。旋翼式飞行器一般采用自动倾斜盘机构实现姿态调节,这种调姿方案复杂的连杆机构降低了飞行器的可靠性,同时,冗余的伺服电机限制了飞行器的续航时间。因此,本文提出一种电磁驱动模拟周期变距的倾斜盘替代方案,利用螺线管产生磁场,驱动旋翼模拟倾斜盘的周期变距运动。基于电磁理论与单旋翼气动特性模型,设计了增稳控制算法,优选了旋翼系统结构与空间布置参数,设计了系统驱动与控制单元,并通过试验验证了电磁调姿系统的姿态操纵性能。基于倾斜盘周期变距调姿原理,选择螺线管与径向磁化的永磁体同轴布置的构型。基于毕奥-萨法尔定律建立永磁体在有限长密绕螺线管中的偏转力矩方程,分析偏转力矩与变距角度、磁化强度等参数的变化规律。基于ADAMS开展旋翼高频驱动下的刚体动力学仿真,分析旋翼变距运动的形式。建立了旋翼瞬时气动力方程与桨毂受力方程,得到单旋翼系统的配平方程与小扰动线性化模型,分析重心位置对系统静稳定性的影响以及挥舞刚度系数对横纵耦合特性的影响。设计了增稳状态反馈控制算法,并通过仿真验证了旋翼系统在闭环控制下的姿态响应特性。提出了基于电磁驱动调姿原理的总体设计方案,完成了桨叶结构参数设计,确定了系统驱动频率、漆包线线径等重要参数。基于ADAMS联合仿真模型,利用Morris敏感性分析方法研究了电磁驱动模块结构与空间布置参数对变距运动的影响,根据仿真结果优选了各参数。设计了系统硬件电路,实现了电磁驱动信号控制、基于SPI的板级通讯以及旋翼系统的姿态解算。搭建了旋翼系统姿态特性试验装置,基于力学特性测试平台开展了升阻特性试验与调姿力矩试验。分析了模拟周期变距运动对旋翼升阻特性的影响,研究了不同磁场强度与旋翼转速下系统升力与扭矩的波动幅值;通过控制螺线管驱动信号,验证旋翼系统可以产生幅值、相位可操纵的调姿力矩。基于姿态控制试验平台开展了悬停控制试验,在2～6°期望倾倒角度下,悬停稳定性较好,倾倒角度最大波动幅值为0.584°,在8～10°倾倒角度下,姿态响应较快,最短上升时间为0.9 s;倾倒方位角与输入方位角成近似线性关系;在持续操纵条件下,旋翼系统姿态响应特性良好,表明无斜盘单旋翼电磁驱动调姿系统有良好的姿态操纵性能。
四旋翼无人机稳定控制算法设计及硬件实现
这是一篇关于四旋翼无人机,姿态控制,稳定性,PID控制,模糊控制的论文, 主要内容为四旋翼无人机已经被应用到航拍、电力巡检、侦察等领域。但是随着无人机应用的深入和任务场景复杂化程度的提升,在这些领域对四旋翼无人机的飞行稳定性和抗干扰能力的要求也越来越高。在这一背景下,本文以四旋翼无人机飞行控制系统为研究对象,从四旋翼无人机的控制建模、姿态估计、以及控制器的设计等方面进行设计优化和改进,开展四旋翼无人机姿态稳定控制算法研究,并在此基础上完成无人机控制系统软硬件方案的设计,能够实现对四旋翼无人机的飞行姿态稳定控制,提高四旋翼无人机的稳定性和抗干扰能力。具体工作如下:(1)本文选择四元数姿态解算算法来构建和求解无人机姿态问题,通过四元数姿态矩阵解算得到无人机当前的欧拉角。在无人机姿态解算的基础上,针对当前已有的方法在传感器直接测量的姿态角信息存在大量噪声的问题,创新性的提出了一种通过融合多传感器的冗余信息,来提高姿态角获取精确度的算法,通过该算法可以从输入端解决数据的干扰,为姿态控制器提供更加精准的传感器数据输入,从而提升飞行控制器的处理性能和效率。在此基础上利用无人机运动学和动力学相关原理,构建了一种新的无人机动态数学模型。(2)完成了无人机飞行控制系统方案的设计,分别从位置控制器、姿态控制器和控制分配器三个方面完成对无人机稳定控制系统的设计实现。在位置控制器中针对实际飞行过程中会产生姿态控制器不能接受的姿态角,本文设计了加饱和的PID控制器,避免因为过大姿态角使无人机发生坠机。同时对PID控制算法进行改进,采取串级模糊PID控制算法控制无人机姿态,减少系统的超调量,提高响应速度,增强稳定性和抗干扰能力,使控制系统能够更加平稳的输出。(3)完成了无人机飞行平台硬件软件实现,根据无人机飞行控制要求,选取合适的控制模块、姿态传感器模块、动力系统模块和通信模块完成无人机飞行平台硬件设计及组装。在Simulink平台中进行四旋翼无人机控制系统和动态模型构建,生成所需代码,最后将生成代码下载到Pixhawk飞行控制器中,进行硬件实验,实验表明串级模糊PID控制算法能满足无人机飞行控制需求,提高了无人机的稳定性。
基于观测器的四旋翼无人机姿态控制
这是一篇关于四旋翼无人机,姿态控制,观测器,滑模控制,有限时间的论文, 主要内容为四旋翼无人机具有灵活、高效、方便等特点,在交通、建筑、防灾救援、航道巡查等领域中应用广泛。四旋翼无人机抗干扰能力较弱且极易受到外部环境的影响,这些都增大了其控制难度。因此,一个稳健、可靠的控制方法就显得尤为重要。本文着重于四旋翼无人机的姿态控制问题,将观测器与控制器相结合,针对存在一种或多种干扰的情况下,在有限时间内实现其姿态角的精确、快速跟踪,并且通过软、硬件仿真验证了所设计算法的有效性。其主要工作归纳如下:(1)针对存在未建模动态和环境干扰(一般假定干扰导数界已知)的四旋翼无人机姿态控制系统,设计有限时间扩张状态观测器对未建模动态和环境干扰组成的集总未知数进行估计,利用估计值设计基于未知补偿的互补滑模控制器来实现精确地轨迹跟踪。并且利用Lyapunov理论证明了系统的稳定性,从而建立一个无模型的有限时间控制方案。最后,通过数值仿真对算法的有效性进行了验证。(2)与上述干扰导数界已知不同,本章节研究干扰导数界未知的情况下,设计自适应滑模干扰观测器对干扰进行快速估计,并利用估计值设计基于干扰补偿的非奇异终端滑模控制器来实现快速、精确地轨迹跟踪。接着,通过证明得出干扰的估计误差以及四旋翼无人机轨迹跟踪误差均可实现在有限时间内稳定。最后通过半实物仿真对算法的有效性进行了验证。(3)针对存在复杂非线性干扰与部分已知信息干扰的四旋翼无人机姿态控制系统设计双观测器。首先,对于复杂的非线性可微干扰采用扩张状态观测器进行估计,其次,对于部分已知信息的干扰用外生系统模型进行描述,并用干扰观测器进行估计。然后,利用双观测器的估计值设计基于双干扰补偿的滑模控制器来实现姿态控制。利用Lyapunov理论对系统进行稳定性证明,实现对姿态系统的复合抗干扰。最后,通过仿真实验,对所设计双观测器和控制器的有效性进行了验证。
基于观测器的四旋翼无人机姿态控制
这是一篇关于四旋翼无人机,姿态控制,观测器,滑模控制,有限时间的论文, 主要内容为四旋翼无人机具有灵活、高效、方便等特点,在交通、建筑、防灾救援、航道巡查等领域中应用广泛。四旋翼无人机抗干扰能力较弱且极易受到外部环境的影响,这些都增大了其控制难度。因此,一个稳健、可靠的控制方法就显得尤为重要。本文着重于四旋翼无人机的姿态控制问题,将观测器与控制器相结合,针对存在一种或多种干扰的情况下,在有限时间内实现其姿态角的精确、快速跟踪,并且通过软、硬件仿真验证了所设计算法的有效性。其主要工作归纳如下:(1)针对存在未建模动态和环境干扰(一般假定干扰导数界已知)的四旋翼无人机姿态控制系统,设计有限时间扩张状态观测器对未建模动态和环境干扰组成的集总未知数进行估计,利用估计值设计基于未知补偿的互补滑模控制器来实现精确地轨迹跟踪。并且利用Lyapunov理论证明了系统的稳定性,从而建立一个无模型的有限时间控制方案。最后,通过数值仿真对算法的有效性进行了验证。(2)与上述干扰导数界已知不同,本章节研究干扰导数界未知的情况下,设计自适应滑模干扰观测器对干扰进行快速估计,并利用估计值设计基于干扰补偿的非奇异终端滑模控制器来实现快速、精确地轨迹跟踪。接着,通过证明得出干扰的估计误差以及四旋翼无人机轨迹跟踪误差均可实现在有限时间内稳定。最后通过半实物仿真对算法的有效性进行了验证。(3)针对存在复杂非线性干扰与部分已知信息干扰的四旋翼无人机姿态控制系统设计双观测器。首先,对于复杂的非线性可微干扰采用扩张状态观测器进行估计,其次,对于部分已知信息的干扰用外生系统模型进行描述,并用干扰观测器进行估计。然后,利用双观测器的估计值设计基于双干扰补偿的滑模控制器来实现姿态控制。利用Lyapunov理论对系统进行稳定性证明,实现对姿态系统的复合抗干扰。最后,通过仿真实验,对所设计双观测器和控制器的有效性进行了验证。
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