四旋翼飞行器定点飞行控制算法设计与实现开题报告
2020-05-28 07:05
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文献综述
一、四旋翼飞行器的概述
四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼直升机，具有体积小、结构简单、易于维护、机动性能好等优点，近年来成为国内外研究的热点。文献[1]中，它是一种具有六自由度和4个输入的欠驱动飞行器，采用了轴对称布局，其机械结构简单，4个旋翼作为直接动力源，对称的分布在主体四个方向，且旋翼处于同一水平面，旋翼半径、规格都相同。其拥有的四个动力组旋翼通过不同方向旋转而进行飞行、悬停、转向等动作。据参考文献[2]，四旋翼飞行器是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。文献[13]着重介绍了其优点为螺旋桨小，飞行安全稳当、结构简单、控制灵活、负载能力强、垂直起降等。因此的用途也非常广泛，在欧美等发达国家已经开始运用四旋翼飞行器执行军事侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等任务，在地震救灾、考古、水利、农业、电力等民用方面也能看到其所发挥的巨大作用。同时文献[3]也指出，但因其欠驱动、强非线性、强耦合等特性给控制器设计带来了不少问题。另外由于其动力学模型的复杂性、模型参数不确定性和建模不精确性等问题，造成其对控制器的鲁棒性、抗干扰性提出了高要求。
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
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一、本课题要解决的问题 本课题主要是设计一种基于GPS的四旋翼飞行器的控制算法使其实现基本的飞行功能，需要研究的内容如下： （1）四旋翼飞行器的结构和飞行原理； （2）GPS及模块的工作原理； （3）根据GPS工作原理，设计出基于GPS的四旋翼飞行器的控制算法； （4）进行实验，验证控制算法。 二、本课题拟采用的研究手段 1、查阅相关资料，熟悉了四旋翼飞行器的结构和飞行原理； 四旋翼飞行器的结构为四个旋翼对称分布在机体的前后左右四个方向上四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，四个电机对称安装在飞行器的支架端，支架中间空间安放了飞行控制计算机和外部设备，结构形式如下图1： #160; 图 1 四旋翼飞行器结构#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160;#160; 四旋翼飞行器的飞行原理：四旋翼飞行器上下垂直运动是通过4个旋翼同时增（减速）得到的，当4个旋翼的升力之和与飞行器自身的重力相等时，飞行器保持悬停状态。水平方向的前后运动是通过旋翼1、2分别增速（减速）的同时，旋翼3、4减速(增速)来实现的；俯仰运动是通过旋翼1、3速度不变，旋翼2增速（减速）同时，旋翼4减速（增速）来实现的。以此类推可以得到滚转运动：即旋翼1增速（减速）同时旋翼3减速（增速）。 2、拟采用定点飞行控制方法 四旋翼飞行器的定点飞行依赖于飞行器上的定位导航模块，而目前能实现定位导航的飞行器主要有基于视觉图像处理的定位导航飞行器、基于GPS定位系统的定位导航飞行器以及基于激光测距定位导航的飞行器这三类。我打算采用基于GPS定位系统的模式，在此基础上设计出如下图中的飞行器基于PID控制器的控制算法。 查阅了四旋翼飞行器控制算法的相关资料，了解了目前多种控制算法，通过所学自动控制的知识，打算采用所设计的控制器控制算法实现飞行器的飞行；控制器系统结构如图3所示。
图 3 控制器系统结构 #160; 在飞行器控制器系统中，首先给定目标点的位置（X,Y）和姿态（α，β，γ）。当飞行器平稳起飞后，则分别由GPS和MPU6050传感器实时得到飞行器的当前位置（Xi,Yi）和当前姿态（αi,βi,γi）。并把它们分别与目标位置（X,Y）和目标姿态（α，β，γ）做对比后用PID控制调整位置和姿态，以此来逐步减小飞行器当前位置与姿态和目标位置与姿态之间的差距和偏差从而达到实现飞行器的定点飞行。 |
