多传感器融合算法的四旋翼无人机室内定位技术研究

针对缺乏明显位置标识的室内环境,为实现无人机的精确定位,提出了一种多传感器融合算法。该算法综合运用了中值滤波、阈值分割、投影变换、最小二乘法等手段,以实现无人机位置和位姿的精确估计。通过一系列实验,对所提出的算法与模拟算法进行了对比分析,验证了所提算法的准确性,并完成了四旋翼无人机在室内环境下的初步定位任务。

基于能耗优化的四旋翼无人机航迹规划:分段式高斯伪谱法

在四旋翼无人机航迹规划中引入能耗优化策略以延长其飞行时间,能够显著提升其实用性和经济性。为此,提出了一种基于分段式高斯伪谱法的能耗最优航迹规划算法。首先,构建了四旋翼无人机运动学-能耗综合模型,能定量描述无人机运动学及能耗间耦合关系;其次,基于此模型,将考虑能耗优化的航迹规划问题转化为带约束的连续时间优化问题;最后,设计了分段式高斯伪谱法求解出优化航迹,其中通过滑动选取优化子区间的方法,在航点数量较多的复杂飞行任务中有效缩短了计算时间,同时提升了轨迹的平滑性和航点跟踪准确性。仿真和实验结果表明,与传统定航点飞行相比,所提算法能大幅降低飞行能耗,与常用优化算法相比,所提算法在保证能耗优化效果的同时,所需计算时间更短,航点跟踪精度更高。

基于RBF网络的四旋翼无人机姿态鲁棒自适应反步滑模控制

针对存在干扰的四旋翼无人机姿态系统,设计了一种RBF网络鲁棒自适应反步滑模控制器.在反步滑模控制的基础上,通过RBF网络逼近和补偿标称控制律,采用神经网络最小参数学习法,取神经网络的权值上界估计作为神经网络的估计值,通过设计参数估计自适应律来代替神经网络权值的调整,并用Lyapunov理论证明系统的稳定性.仿真结果表明:该方法相比反步滑模控制方法,在有干扰的情况下,有更短的调节时间,更好的跟踪精度,验证了本方法具有更好的抗干扰性和鲁棒性.

可变桨距四旋翼飞行器姿态控制教学设备

针对传统四旋翼飞行器为固定桨距变转速的控制方式,在实际教学中存在非线性、响应慢等问题,给学生完成控制实验带来困难。为达到更好的教学效果,设计与开发一个可变桨距四旋翼飞行器的姿态控制设备,实现了定转速变桨距的控制方式,并完成了基于串级PID的控制律设计与代码实现。设备搭载280级四旋翼,使用基于STM32单片机自行开发的飞行控制器,允许学生编程及嵌入自己的控制律。设备在自动控制专业本科生选修课中进行了应用,获得了理想的教学效果。

基于SolidWorks的陆空两用四旋翼搜救无人机设计与控制

陆空两用搜救无人机应用前景广泛,可以在地面和空中进行有效搜索和救援行动。基于四旋翼飞行器设计了一种陆空两用四旋翼搜救无人机,完成了飞行平台和行走平台结构设计,编制了飞控的超声波定高系统和光流定位系统的算法程序,搭建了搜救系统。利用SolidWorks建立了三维建模,并对关键受力部件进行了有限元分析。对后续陆空两用四旋翼搜救无人机的研究具有重要的指导意义。

基于Qball-X4的四旋翼飞行器自适应控制

为实现四旋翼飞行器的精确轨迹跟踪控制,提出了一种基于神经网络逼近器的复合式自适应动态面量化控制方案。该方案主要贡献:①实现了自适应神经网络的量化控制,有效地缓解了量化器引起的强非线性,提高了四旋翼飞行器实时控制系统控制精度;②将自适应神经网络动态面控制技术应用于欠驱动四旋翼飞行器的控制系统中,克服了传统反推方法中的“微分爆炸”问题,并获得了跟踪性能的L∞范数。最后,在Qball-X4四旋翼飞行器运动控制平台上进行了实验,验证了所提控制方案的有效性。

四旋翼无人飞行器ADRC-GPC控制

针对四旋翼无人飞行器的姿态控制系统,需要研究先进控制策略来达到满意的性能.将自抗扰控制(ADRC)与广义预测控制(GPC)相结合,设计一种新型自抗扰广义预测控制器(ADRC-GPC),利用ADRC中的扩张状态观测器(ESO)来估计和补偿非线性系统的模型不确定性以及外部扰动作用,将原始对象模型转化为积分器形式,然后针对积分器设计广义预测控制器.阶跃响应系数矩阵能被解析地求解出来,可有效地解决广义预测控制计算量大的问题.研究结果表明:所提出的ADRC-GPC控制方法能够对四旋翼无人飞行器姿态系统进行实时控制,可满足控制精度及快速性要求,并能有效地克服系统的外部干扰和多变量耦合作用.自抗扰广义预测控制器能够有效地控制欠驱动非线性多变量系统.

基于四元数的四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制

四旋翼无人飞行器具有复杂的数学模型,但现有控制方法大多是基于系统简化模型提出的.为此,该文分析了这类方法的局限性,并基于原始数学模型研究了非线性轨迹跟踪控制问题.通过期望轨迹建立跟踪误差模型,将其分解为两个相互独立的子系统,并以刚体旋转的四元数为系统状态对姿态子系统进行描述.利用backstepping方法设计时变反馈控制律使其子系统指数稳定.根据级联系统的全局稳定性判据,通过研究耦合部分的性质证明系统的全局指数稳定性.仿真结果表明,该方法能够实现四旋翼无人飞行器对期望轨迹的跟踪.

平面四旋翼无人飞行器运送系统的轨迹规划与跟踪控制器设计

对于四旋翼无人飞行器运送系统而言,需要保证飞行过程中负载的摆幅维持在适当的范围内,并且在飞行器到达目的地后负载无残余摆动.本文针对四旋翼无人飞行器运送系统,提出了一种新颖的轨迹规划与跟踪控制方法.论文首先得到了平面四旋翼无人飞行器的运动特性与负载摆角之间的非线性耦合关系.通过相平面内的几何分析,分别设计了两个轴方向上的分段式加速度轨迹.这种轨迹具有简洁的解析表达式并可获得较高的运送效率,同时满足飞行器的速度,加速度等物理约束.为了使四旋翼无人飞行器准确跟踪规划好的轨迹,本文基于反步法设计了一种非线性跟踪控制器,并通过李雅普诺夫方法对其闭环稳定性进行分析,证明其能使跟踪误差指数收敛于零.论文最后通过仿真结果验证了本文所提出方法的可行性与有效性,及其对外界干扰的鲁棒性.

基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统

为改变传统以单片机为处理器的四旋翼无人飞行器的控制方式,提出了一种基于嵌入式ARM的飞行控制系统的设计和实现方案。详细介绍了控制系统的总体构成以及硬、软件设计方法,包括传感器模块、电机模块、无线通信模块。试验结果表明,该设计结合嵌入式实时操作系统,保证了系统的高可靠性和高实时性,能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。

四旋翼无人飞行器反步法的控制

四旋翼无人飞行器是一种典型的六自由度的非线性、强耦合、欠驱动系统.针对四旋翼无人飞行器QballX4受控模型的复杂非线性问题,从实际应用的角度出发,提出了一种在定点悬停情况下忽略偏航角变化的模型简化方法,有效地解决了内外环约束条件的求解问题,并基于此模型设计了一种基于反步法的渐近稳定控制器.仿真结果表明:所设计的控制器能有效地实现定点飞行,同时,也验证了所建立的简化模型的合理性.

基于迭代故障估计的四旋翼飞行器轨迹跟踪

针对四旋翼飞行器飞行过程中转子发生故障的问题,设计了一种基于迭代故障估计的控制策略,实现了对四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制。首先,分析了四旋翼飞行器转子故障对控制信号的影响,在考虑外界干扰的情况下建立了转子故障状态下的四旋翼飞行器运动学模型。其次,依据迭代学习控制原理设计了一种迭代故障估计器,实现了对故障信号的估计与补偿,结合积分滑模方法实现了对四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制,并运用李雅普诺夫理论证明了系统的稳定性。最后,通过对四旋翼飞行器进行仿真实验,验证了所设计的控制策略的有效性。

四旋翼飞行器的RBF神经网络鲁棒自适应控制

针对具有模型不确定性和有界外部扰动的四旋翼飞行器,提出了一种基于径向基函数神经网络的鲁棒自适应全局控制方法(RRAC)。所提方法结合了神经网络控制对未知非线性的强拟合能力和鲁棒控制的全局稳定性,解决了神经网络控制仅能实现半全局一致最终有界的问题,实现了控制精度和鲁棒性的双重提升。所设计的控制器由在近似域内工作的神经网络控制器和在近似域外工作的鲁棒控制器组成。引入一种新型切换函数来实现两者之间的平滑切换,以保证闭环系统的所有信号是全局一致最终有界的。利用Lyapunov函数和Barbalat引理严格证明了非线性四旋翼飞行器系统的稳定性。仿真表明,所设计的控制器在模型不确定性和有界外部扰动下对参考轨迹依旧保持良好的跟踪性能,且跟踪误差趋近于零。

变桨距四旋翼无人飞行器航迹跟踪控制

针对传统定桨距四旋翼无人飞行器定桨距机构限制的问题,提出一种变桨距电机旋翼系统。在电机旋翼系统动力学模型的基础上,根据最小二次型最优控制方法设计了变桨距电机旋翼系统控制律,基于牛顿-欧拉方程和四元数运动学,建立了四旋翼飞行器动力学模型,推导了桨距角分配矩阵,设计了航迹跟踪控制律。仿真结果验证了变桨距技术相对定桨距技术在控制响应方面的优势,证明了提出的控制方法能够实现对变桨距四旋翼飞行器的高精度航迹跟踪控制。

基于GWO-PSO算法的四旋翼飞行器LADRC参数整定

针对线性自抗扰控制器参数整定繁琐的问题,提出了一种基于灰狼算法与粒子群算法联合改进(GWO-PSO)的控制器参数整定方法。将粒子群算法中的粒子种群替换为灰狼算法中的灰狼种群,提高其全局搜索能力;改进收敛因子使其以指数形式变化,提高其寻优精度;在绝对误差积分准则(ITAE)的基础上改进适应度函数,使其与超调量和系统误差相关联,并根据线性自抗扰控制器控制的四旋翼飞行器模型特点,将控制器参数ω0、ωc和b0作为改进算法中的种群进行整定。仿真结果表明,经改进算法优化的控制器,能够满足控制系统的动态性能和稳态性能要求。

四旋翼无人飞行器实验平台设计及姿态控制研究

为了实现四旋翼无人飞行器姿态的稳定控制并验证控制算法的性能,设计了一种可用于四旋翼无人飞行器姿态控制算法研究及控制性能测试的物理实验平台;首先,利用牛顿一欧拉法建立了四旋翼无人飞行器的六自由度动力学模型;其次,对姿态传感器数据进行融合,利用互补滤波算法实现对四旋翼飞行器姿态进行快速准确解算;然后,在MATLAB环境下搭建了四旋翼飞行器仿真模型,并设计改进的PID控制器对飞行姿态进行了仿真;最后,搭建了一个四旋翼无人飞行器姿态控制的物理实验平台,进行了飞行器姿态控制算法的性能测试;实验结果表明了四旋翼无人飞行器实验平台设计的合理性和正确性,是一种快速有效的飞行器姿态控制算法性能测试实验平台。

小型四旋翼无人飞行器控制算法研究

根据牛顿定律和欧拉方程,建立小型四旋翼无人飞行器的动力学模型,并设计四旋翼飞行器的控制系统。利用经典PID设计位置环控制回路和专家PID设计姿态环控制回路。对控制系统进行仿真,从仿真结果来看,该控制系统可使飞行器准确到达指定位置,并保持稳定的悬停姿态。

基于无迹卡尔曼滤波的四旋翼无人飞行器姿态估计算法

针对四旋翼无人飞行器姿态测量问题,提了一种基于无迹卡尔曼滤波的飞行器姿态估计算法.采用欧拉角法描述了飞行器的姿态解算模型,并在此基础上建立了飞行器的系统状态方程和观测方程;采用无迹卡尔曼滤波算法实现飞行器姿态角的解算.理论分析和仿真表明:与采用扩展卡尔曼滤波算法获得的飞行器姿态角信息相比较,虽然无迹卡尔曼滤波算法的计算时间稍有增加,但无迹卡尔曼滤波算法的计算精度和收敛速度比扩展卡尔曼滤波算法有显著的提高.

基于四旋翼飞行器的低空空域智能搜救系统设计

传统四旋翼控制系统采用人工遥控控制,在搜救过程中牵扯人员精力太大并且实施飞行条件较高。现旨在缩短救援时间、提高操作便捷性,对四旋翼飞行器的各项性能做出了改进。整个系统采用人工控制模式与自动搜救模式相结合的方式对飞行器进行控制,同时也扩大了四旋翼飞行器在搜救过程中的使用范围。人工控制部分基于STC12C5A60S2单片机进行设计,结合指纹识别传感器、角度传感器、nRF24L01无线传输模块、QQ飞控、摄像头、12864液晶屏等元器件可完成身份认证、手势采集、无线传输、飞行姿态调整、高度调整及回传地理位置检测、环境视频监控信息等功能。自动控制部分基于STC12C5A60S2单片机,结合GPS模块、指纹识别传感器、nRF24L01模块、超声波模块、红外感应模块、QQ飞控、摄像头等。系统最终实现了低空空域自动避障,自动搜人等功能。

基于改进事件触发机制的四旋翼飞行器输出反馈模糊控制

为了提高四旋翼飞行器姿态跟踪控制精度,减少通讯开销,节约控制成本,本文建立四旋翼飞行器动力学模型,采用模糊状态观测器估计飞行器状态,解决非线性和不确定性问题,结合改进型事件触发机制设计姿态跟踪控制器,实现飞行器在不同姿态下的精确控制和稳定飞行。仿真结果验证了本文控制方法的有效性。