四旋翼无人机自抗扰飞行控制器研究

为了提高飞行过程的抗扰动能力,针对四旋翼无人机自抗扰飞行控制器设计,分析自抗扰控制基本原理及其参数调节规律,在此基础上,改写四旋翼无人机动力学模型,引入虚拟控制量对位置和姿态进行控制解耦,应用扩张状态观测器实现状态解耦和扰动估计。最终得到四旋翼无人机双闭环自抗扰飞行控制器,实现对其位置和姿态的闭环控制。仿真实验结果表明,所设计控制器具有良好的解耦效果、抗干扰能力和鲁棒性能,可以实现对四旋翼无人机的飞行控制。     

多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究

随着社会的进步和国民经济的发展,现代高新科技的发展得到了前所未有的推进,为各行业的进步和发展提供了良好的保障。近些年来出现的多旋翼无人机,是一种集合多项现代高新科技的成果,具有定点悬停功能,能够实现在现代军事、工业、农业等各个领域的应用。本文就四旋翼无人机为例,探讨了多旋翼无人机飞行控制系统的设计以及实现。     

基于多旋翼无人机的空中移动载物平台

近年来,随着微机电系统技术及自动控制技术的成熟,多旋翼无人机发展迅速,在军用及民用领域展现出了巨大的应用潜力。该文提出了一种基于四旋翼无人机的空中移动载物系统,利用多旋翼无人机、计算机和多个模块的相互协作,实现了一机多用的目的,能够大幅度提高多旋翼无人机的利用率。     

基于hp自适应伪谱法的四旋翼无人机编队轨迹优化

四旋翼无人机编队轨迹优化是实现高精度跟踪控制的基础。本文研究四旋翼无人机编队轨迹优化问题,首先建立非线性四旋翼无人机模型,并对模型进行简化与参数获取;再考虑四旋翼无人机编队之间的避撞约束、状态量约束及控制输入量约束;最后采用可自适应选点的hp自适应伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题进行求解。仿真结果表明,hp自适应伪谱法可以对于求解6架四旋翼无人机编队的轨迹优化问题具有良好的效果,能够满足工程实际的约束要求。     

四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制半物理仿真系统

针对四旋翼无人机强耦合、欠驱动、非线性等特点,以及在实际飞行过程中极易受到干扰的问题,对四旋翼无人机动力学模型进行分析,提出了一种基于联合的四旋翼无人机姿态控制算法,并在此基础上设计了四旋翼无人机半物理仿真系统。首先,针对非线性系统设计滑模控制器,选择跟踪航迹和翻滚角设计位置控制率和姿态控制率。其次,滑模控制器在实际应用中易产生震荡,利用基于信用积分的小脑模型神经网络(CPCMAC)来学习滑模控制的方式。最后,搭建基于LabVIEW的控制站,同Matlab/Simulink进行数据收发控制。仿真结果表明,在跟踪目标相同时,提出的四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制相比于传统的比例积分微分(PID)控制和积分反步法控制优势明显,能够抑制超调和余差,在快速性和鲁棒性方面都更加优越。同时,构建的四旋翼无人机半物理仿真平台能清晰反馈出无人机参数的变化,应用预留的参数接口和地面控制站,降低了无人机飞控算法的开发难度,提高了开发效率,具有明显的实用价值。     

基于状态观测器的多无人机编队跟踪控制

针对一组欠驱动四旋翼无人机在编队飞行中仅有部分无人机可以直接获取领机状态信息的问题,提出了一种基于状态观测器的分布式有限时间编队跟踪控制策略.根据四旋翼无人机系统严格反馈的结构特点,将四旋翼无人机的动力学模型划分为位置子系统和姿态子系统,然后分别进行位置控制器和姿态控制器的设计.首先,考虑到在分布式的编队控制策略下,并非所有的无人机都能直接与领机进行通信并获取领机的状态信息.对每架四旋翼无人机分别设计分布式有限时间状态观测器估计自身与领机的相对状态信息,稳定性分析表明所设计的状态观测器的观测误差能够在有限时间内趋近于零;其次,在四旋翼无人机状态观测器观测结果的基础上设计了有限时间位置控制器,稳定性分析表明位置控制器能够在有限时间内实现对领机位置的稳定跟踪;然后根据位置环控制量解算出期望的姿态角,基于滑模控制方法设计了姿态控制器,稳定性分析表明各架无人机的姿态角能在有限时间内跟踪上期望的姿态角;最后,从仿真结果中能够看出所设计的状态观测器的观测误差能够在有限时间内趋近于零,即每架无人机的状态观测器能够在有限时间内观测到自身与领机的相对状态信息.从无人机飞行轨迹中能够看出各架无人机能够在有限时间内形成并保持期望的队形.     

基于视觉的四旋翼飞行器智能识别规划方法研究

针对四旋翼飞行器系统中图像识别与航迹规划问题,提出了一种基于视觉的智能识别规划方法,并搭建了基于Linux嵌入式控制的飞行实验平台.在控制过程中,搭载云台相机并结合OpenCV库函数对相机捕捉到的画面进行实时图像处理,实现无人机的目标识别与定位;通过改进遗传算法对无人机飞行路径进行合理规划,使其完成从起点到终点并途经所有中间点而路径最合理的任务;结合Guidance视觉传感导航系统中的超声波数据,利用获取的近地面高度信息实现飞行器精确定位.最后,通过实验验证了该方法的有效性.     

CDKF 算法在四旋翼飞行器组合导航系统中应用

针对基于四旋翼无人飞行器的组合导航系统在小失准角情况下滤波器较短时间内发散的问题, 将中心差分卡尔曼滤波算法应用于低成本的组合导航系统中, 设计了飞行器组合导航系统的硬件电路。该系统采用MPU-6050 芯片作为飞行器姿态传感器, 选用u-Blox 公司的NEO-6M 模块获取GPS(Global Positioning System)信号, 并利用中心差分卡尔曼滤波算法实现多传感器的数据融合, 从而获取导航信息。在四旋翼无人飞行器平台上对该系统进行实验的结果表明, 该导航系统能有效抑制传感器噪声, 克服了陀螺仪的漂移现象, 避免了传统EKF((Extended Calman Filter) )算法近似程度不高, 易导致解算结果发散等问题的发生, 为飞行器提供了准确的导航信息。     

四旋翼无人机自主飞行控制的设计和应用

旋翼无人机目前广泛应用于各个领域,应用价值较高,不过自主飞行控制设计难度较大。该文对四旋翼无人机自主分型控制设计中的重难点进行了分析,并选择整体结构设计、力学模型建立和系留试验三个程序简要分析了飞行控制的设计与应用。     

基于滑模观测器的四旋翼无人机全回路解耦控制

针对四旋翼无人机复杂轨迹跟踪控制面临的多通道耦合、强非线性以及多源干扰等问题,考虑四旋翼无人机的位置回路、姿态回路动态跟踪误差和执行机构实现过程,提出了一种全回路轨迹跟踪控制方案。首先,将四旋翼无人机轨迹跟踪控制问题转化为位置回路和姿态回路的指令跟踪问题;其次,将不同通道之间的耦合以及多源干扰影响视作集总干扰,并基于高阶滑模观测器对其进行估计;然后,基于干扰估计信息和动态逆控制算法,分别在位置和姿态回路构造复合动态逆控制器;最后,将位置回路和姿态回路的虚拟控制量转换为旋翼转速。该文控制方案实现了旋翼无人机位置回路和姿态回路不同控制通道之间的解耦,在保证各个通道设计独立的前提下,实现了轨迹的渐近跟踪。针对圆柱螺旋线轨迹跟踪的仿真结果验证了该文解耦控制方案的有效性。     

四旋翼无人机的非线性控制理论研究与应用(英文)

四旋翼无人机是一类典型的非线性、动态不稳定的多输入多输出系统.首先将复杂的四旋翼动力学模型分解为两个内外环子系统,即平移动力学和姿态动力学,在此基础上研究了反步法以及滑模控制,并将其应用于四旋翼的位置和姿态控制.上述两种非线性控制算法的设计及其稳定性分析都是以李雅普诺夫全局稳定性理论为基础.为了改善系统动态响应并避免超出执行机构的物理实现范围,在姿态控制子系统中,设计了分段可微信号作为安排"过渡过程",代替阶跃指令输入.仿真结果验证了反步法以及滑模控制在四旋翼上应用的可行性和有效性,最后通过对控制效果的比较、分析,总结两者各自的特点.     

多旋翼飞行器建模与控制器设计

随着各项技术的日趋成熟,多旋翼飞行器的控制器设计也愈发受到重视.为了使四旋翼飞行器在复杂环境下可以进行稳定的飞行,设计了四旋翼无人机飞行器的控制器,根据实际情况对数学模型进行简化,建立了一个四旋翼飞行器运动的数学模型;在Simulink中搭建比例积分微分(proportion integration differentiation,PID)控制模型,实现串级PID控制,通过调整PID参数,初步实现了使其稳定飞行的目标.通过在Simulink上搭建系统模型并最终得出仿真结果,证明飞行器的姿态和位置都得到了稳定的控制.     

基于云台相机的四旋翼无人机跟踪控制系统

针对四旋翼无人机跟拍过程中视角固定,易丢失目标的问题,设计了一种基于云台相机的四旋翼无人机跟踪控制系统。首先,使用云台相机对地面移动目标进行拍摄,通过对目标的颜色特征和形状特征进行检测识别,使用核相关滤波( KCF: Kernel Correlation Filter) 方法进行视觉跟踪,得到地面移动目标在图像坐标系的位置。然后,通过建立针孔模型,解算出在云台相机带有俯仰角时的无人机与地面目标的相对位置关系。最后,设计了离散串级比例-积分-微分( PID: Proportion-Integral-Differential) 踪控制器,实现对无人机的位移控制,使四旋翼无人机可对地面移动目标进行稳定跟踪。同时设计了串级比例-微分( PD: Proportion-Differential) 控制器以实现云台相机的视角跟踪,增大了无人机的跟踪范围,降低了丢失目标的风险。实验结果表明,所设计的四旋翼无人机跟踪控制系统可实现对地面移动目标的稳定跟踪。     

变距旋翼无人机前飞气动性能分析与研究

新型旋翼气囊复合动力无人飞行器主要原理是借助四旋翼与空气静升力提供升力;在该无人机总体设计方案的基础上,对应用变距旋翼技术进行前飞驱动时的气动性能展开分析研究。对变距旋翼模型采用标准κ-ε湍流模型、RNG模式和主导漩涡流模式;并通过数值模拟研究不同转速、桨距角在前飞状态下的气动特性。同时在地面风洞试验台对在前飞状态下模型旋翼进行了试验研究;并且试验结果与计算结果基本吻合。得出该无人机在巡航状态下,螺旋桨转速在4 000 r/min,桨距角14°具有最佳的螺旋桨效率。为新型旋翼气囊无人飞行器的整体优化以及工程应用提供了参考依据。     

无人机倾斜摄影建模技术对比研究

为了比较多旋翼和固定翼无人机在倾斜摄影建模技术中的优越性,文中以城区作为研究对象,在Smart3D的Context Capture软件平台进行建模,对比分析多旋翼和固定翼无人机在倾斜建模中的特点,得出固定翼无人机数据采集耗时短,倾斜模型色调一致,建模分辨率和平整度效果较好,主要适用于大面积倾斜摄影数据采集;多旋翼无人机航拍过程耗时长,倾斜模型色调饱和整体有差异,建模过程中修模工作较多,更适合于小面积高精度倾斜摄影数据采集。同时多旋翼无人机可用于对固定翼无人机漏飞区域进行补飞。     

四旋翼无人机偏航飞行过程量化稳定性分析

有效配置四旋翼无人机的运动参数和机械结构参数,可提高飞机飞行过程中的运动稳定性,节约能耗。针对当前运动稳定性分析方法主要以定性分析为主,难以给出系统结构稳定及运动稳定方面的量化分析指标的问题,该文以四旋翼无人机为对象,在偏航飞行阶段,采用Lyapunov指数法建立四旋翼无人机控制输入、机械结构参数与系统运动稳定性之间的量化关系,并给出了参数变化与系统能量消耗的关系,为解决四旋翼无人机偏航过程中存在的失稳、续航能力差等问题提供了理论依据。与其他方法相比,该方法可构建性强,计算简单,可广泛用于其他机器人非线性系统的运动稳定性分析。     

基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究

为实现四旋翼无人机的自主飞行控制,设计并搭建了四旋翼无人机的硬件飞行控制平台.该平台采用自行组装的四旋翼飞行器作为本体,航向姿态参考系统(AHRS)MTi-G单元作为主要机载传感器,ARM嵌入式系统芯片作为主控制器,AVR单片机作为超控单元.基于四旋翼无人机的非线性动态模型,采用内外环结构的PD控制算法,构造了无人机的位置与姿态跟踪控制器.实现了四旋翼无人机滚转角、俯仰角和水平纵向、横向位置共四个自由度的自动控制.实验结果表明,本文提出的机载控制系统设计取得了较好的飞行控制效果.     

海军倾转旋翼无人机技术和发展优势综述

倾转旋翼无人机是一种介于无人直升机和固定翼无人机的新型无人机。它一方面具有垂直起降能力;另一方面还可以作高速巡航飞行,是未来无人机发展的趋势之一。简要地介绍了＂鹰眼＂无人机的发展历程和技术特点,综合分析了倾转旋翼无人机的关键技术。在此基础上,对海军倾转旋翼无人机的发展优势和应用前景进行了展望。     

基于附加惯性项人群搜索算法的四旋翼无人机姿态控制研究

针对非线性自抗扰控制的控制参数多且不能自整定的缺陷,为进一步提高控制的有效性和精度,在结合四旋翼无人机自身特性的基础上,本文提出一种附加惯性项人群搜索算法与自抗扰控制结合的姿态控制算法。对搜索步长和方向的惯性系数的选取方法进行修改,来实现四旋翼无人机在受干扰情况下飞行过程的姿态控制。仿真结果分析表明:与人群搜索算法优化自抗扰控制和自抗扰控制相比,该方法提高了控制系统的动态响应、抗扰性和鲁棒性,从而对于提高四旋翼无人机的姿态控制具有良好的参考价值。     

基于ADRC的四旋翼无人机姿态控制研究

四旋翼无人机由于受到自身的非线性、模型的不确定性和外部突发气流等的影响,较难完成预设的飞行任务.为此,使用自抗扰控制,通过安排合理的过渡过程减少超调和设计扩张状态观测器来估计总扰动并实时补偿,并实现四旋翼无人机姿态控制.仿真结果表明:相比传统PID控制,该控制方法使得四旋翼无人机能够更好地适应自身参数的变化和应付外部气流带来的影响,具有更好的鲁棒性和抗扰性.同时验证了自抗扰控制器下的系统具有超调小、精度高、收敛速度快、抗扰能力强和鲁棒性能好等特点.