一种基于自抗扰算法的四旋翼无人机控制系统研究

发布时间：2025-05-01 13:11

　　随着科学技术的不断发展,无人机技术正在快速的应用于军事和民用领域,无人机在多个行业得到应用。小型四旋翼无人机因结构简单、机身尺寸小、垂直起飞、空中悬停等特点应用在多个领域。成为了国内外研究热点。小型四旋翼无人机飞行姿态复杂多变,所以稳定的飞行控制系统就显得极为重要。影响小型四旋翼无人机飞行控制的因素有控制策略、姿态解算等方面。针对目前小型四旋翼无人机在姿态解算获取更加精准的姿态,提高四旋翼的干抗扰性能,本文提出了基于自抗扰算法的四旋翼无人机控制系统设计。本文主要完成了一个小型四旋翼平台的自抗扰算法控制系统设计与实现,具体工作如下:首先,本文针对小型四旋翼无人机,总结了近些年四旋翼无人机控制系统的国内外研究现状,明确了本文研究的自抗扰控制器的目的。基于小型四旋翼无人机机体结构,建立了精准的动力学模型;然后,对四旋翼无人机的姿态进行解算,介绍了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计的测量原理,对传感器的数据融合采用了扩张卡尔曼滤波算法、互补滤波算法和基于四元数的二阶互补滤波算法。对三种姿态解算算法进行对比,通过仿真实验得出基于四元数的二阶互补滤波算法可以更好的融合多传感器的数据,误差更小。其次,根...

【文章页数】：68 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 四旋翼无人机国内外研究现状
        1.2.1 四旋翼无人机国外研究现状
        1.2.2 四旋翼无人机国内研究现状
    1.3 本文研究思路
第2章 四旋翼无人机动力学模型
    2.1 四旋翼无人机的组成与飞行原理
        2.1.1 四旋翼无人机的组成
        2.1.2 四旋翼无人机的飞行原理
    2.2 四旋翼无人机动力学建模
        2.2.1 四旋翼无人机位置运动方程
        2.2.2 四旋翼无人机姿态运动方程
        2.2.3 四旋翼无人机非线性动力学建模
    2.3 本章小结
第3章 四旋翼无人机多传感器数据融合算法对比
    3.1 惯性传感器的测量原理
        3.1.1 三轴加速度计的测量原理
        3.1.2 陀螺仪传感器的测量原理
        3.1.3 磁力计传感器的测量原理
        3.1.4 气压计传感器的测量原理
    3.2 四旋翼无人机的传感器数据融合算法对比
        3.2.1 扩展卡尔曼滤波(EKF)算法
        3.2.2 基于四元数的互补滤波算法
        3.2.3 基于四元数的二阶互补滤波算法
    3.3 本章小结
第4章 一种四旋翼无人机自抗扰控制系统设计与仿真
    4.1 一种四旋翼无人机内环姿态自抗扰控制器设计
        4.1.1 跟踪微分器
        4.1.2 扩张状态误差观测器
        4.1.3 非线性状态误差反馈控制器
        4.1.4 基于自抗扰控制内环姿态控制器设计
    4.2 四旋翼无人机外环位置PID控制器设计
    4.3 基于粒子群算法的自抗扰控制器参数整定
    4.4 仿真实验与结果对比
        4.4.1 搭建仿真环境
        4.4.2 跟踪微分控制器的仿真实验
        4.4.3 扩张状态观测器的仿真实验
        4.4.4 ADRC+PID控制器与经典串级PID控制效果对比
    4.5 本章小结
第5章 四旋翼无人机测试实验
    5.1 四旋翼无人机实验平台搭建
        5.1.1 四旋翼无人机的控制平台搭建
        5.1.2 四旋翼无人机的调试
    5.2 四旋翼无人机控制器模块测试
        5.2.1 基于串级PID控制器测试
        5.2.2 基于ADRC+PID控制器测试
        5.2.3 实验结果对比
    5.3 本章小结
第6章 总结展望
    6.1 本文总结
    6.2 研究展望
参考文献
攻读学位期间的科研成果
致谢



本文编号：4042335