新型多旋翼飞行器控制系统设计与实现
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要................................................................................................................. I ABSTRACT ........................................................................................................ I I 第1章绪论 .. (1)
1.1 课题背景及研究的目的和意义 (1)
1.1.1 多旋翼飞行器的研究背景 (1)
1.1.2 研究的目的和意义 (3)
1.2多旋翼飞行器国内外研究现状 (3)
1.2.1 国外研究现状 (3)
1.2.2 国内研究现状 (7)
1.3本文的主要研究内容 (9)
第2章多旋翼飞行器动力学系统建模 (10)
2.1引言 (10)
2.2多旋翼飞行器姿态表示 (10)
2.2.1 欧拉角法 (12)
2.2.2 姿态参考四元数法 (16)
2.3多旋翼飞行器动力学建模 (17)
2.4本章小结 (20)
第3章多旋翼飞行器参数测定及仿真平台的搭建 (21)
3.1 引言 (21)
3.2多旋翼飞行器参数测定 (21)
3.3利用状态方程求解传递函数 (24)
3.4搭建控制系统仿真平台 (27)
3.5本章小结 (28)
第4章基于PID控制方法的控制效果分析 (29)
4.1引言 (29)
4.2PID控制方法的原理 (29)
4.3基于PD方法的控制效果分析 (30)
4.4本章小结 (34)
第5章基于Backstepping控制器的控制效果分析 (35)
5.1引言 (35)
5.2反步法原理 (35)
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5.3基于反步法的飞行控制系统设计 (38)
5.3.1 多旋翼系统模型的状态空间描述 (38)
5.3.2 基于反步法的姿态环控制 (39)
5.3.3 基于反步法的位置环控制 (41)
5.4基于反步法控制效果分析 (42)
5.5本章小结 (44)
第6章多旋翼控制系统的测试与分析 (45)
6.1引言 (45)
6.2搭建硬件平台 (45)
6.3 多旋翼飞行器飞行调试 (50)
6.4本章总结 (51)
结论 (52)
参考文献 (53)
攻读硕士学位期间的研究成果 (57)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (58)
致谢 (59)
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第1章绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
当今时代的飞行器无论在速度、体积、功能等各个方面都取得了长足的进步，远远超过了飞行生物。其中，多旋翼飞行器机械结构比较简单，没有复杂的传动机构，同时也能够垂直起降。能够实现悬停、侧飞和倒飞等运动，特别适合空间狭小，低空飞行等特殊任务，近些年来也将多旋翼飞行器用于航拍、地质监测、环境评估等商业用途。因为要携带设备，所以飞行器要求的载重量越来越大，为了满足载重要求大多采用增大飞行器尺寸的方法，但是尺寸增大不方便携带，同时也增加了安全隐患，本文在四旋翼基础上做了改进，在不增加飞行器尺寸的前提下增加了它的承载能力，使其能够携带更多任务载重。
1.1.1 多旋翼飞行器的研究背景
早在1907年的时候，法国Charles Richet教授指导的Breguest兄弟制造出了第一架多旋翼飞行器，并且命名为Gyroplane No.1[1]。其外形已经具有多旋翼的基本特征，四个长为8.1米的旋翼分布在十字架的四个端点上，一对旋翼顺时针旋转，一对旋翼逆时针旋转。由于输入的控制量只有油门，所以不能实现多旋翼的稳定飞行，如图1-1所示。
图1-1 Breguest兄弟制造的Gyroplane No.1[1]
1921年，美国空军军团（US Army Air Corps）与George de Bothezat签订合约资助其建造多旋翼飞行器。不同的是，该多旋翼的四个桨是由一个发