四旋翼無人機飛行控制算法研究.pdf

1、由于四旋翼無人機具有機動性好、安全以及廉價等優(yōu)點，其市場得到迅猛的發(fā)展；被廣泛的應用于航拍、災后搜救、反恐監(jiān)控以及國境巡航等各個領域。面對復雜的工作環(huán)境，無人機能否順利完成任務的關鍵是擁有良好的控制系統(tǒng)和狀態(tài)估計。然而四旋翼無人機的非線性、強耦合以及欠驅動的特點，使得其控制系統(tǒng)和狀態(tài)估計濾波器的設計難度大大增加。本文在分析了四旋翼無人機研究現(xiàn)狀和關鍵技術的基礎上，完成了四旋翼無人機建模、控制算法和姿態(tài)估計算法的研究工作。
　　首先

2、，分析了四旋翼無人機的動力學特性，基于牛頓-歐拉方程建立了完整的四旋翼無人機動力學模型。該模型用四元數(shù)對無人機進行姿態(tài)解算，考慮了四旋翼無人機飛行時的平動空氣阻力、轉動空氣阻力，并且將無刷電機轉子、螺旋槳和機體看作多剛體系統(tǒng)。在Solidworks軟件中，建立了無人機半實物模型以獲得無人機慣性參數(shù)。
　　其次，結合四旋翼無人機仿真模型，研究了在三種姿態(tài)反饋形式(歐拉角、旋轉矩陣以及四元數(shù))下姿態(tài)和位置的PID控制策略；完成相應的姿

3、態(tài)控制系統(tǒng)設計，提出相應的位置誤差轉換到姿態(tài)誤差轉換策略，完成了位置的級聯(lián)控制系統(tǒng)設計；仿真結果表明以四元數(shù)反饋時無人機的階躍跟蹤效果更好，而且具有控制器結構簡單、姿態(tài)解算無奇點以及計算量少的優(yōu)點。
　　再次，在四元數(shù)反饋的模型基礎上，研究了四旋翼無人機的自抗擾控制算法；導出四元數(shù)積分器串聯(lián)方程，結合姿態(tài)誤差四元數(shù)的意義，建立了四元數(shù)形式的矢量自抗擾控制系統(tǒng)；仿真結果表明在該控制系統(tǒng)下無人機的響應速度更快，魯棒性能更強。