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。

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。

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。

四旋翼飞行器在输入有界约束下的定点跟踪控制

由于实际应用中四旋翼飞行器的电机旋转角速度有界,因此针对四旋翼飞行器总推力控制输入受有界约束情况,提出一种基于光滑双曲函数的有界控制律,采用李雅普诺夫稳定性理论和反演控制法,分析了有界控制律作用下系统的稳定性和定点跟踪的快速性。最后,通过仿真结果分析进一步证明了所提有界控制律的有效性。

基于STM32小型四旋翼飞行器硬件系统设计与实现

小型四旋翼飞行器因其独特的飞行性能和便携性能受到消费市场越来越多的关注。为实现四旋翼飞行器可控且稳定的飞行,提出了一种基于STM32F411控制器结合小功率电机的硬件系统设计方案。采用惯性测量组件MPU9250和气压传感器FBM320检测飞行控制系统的姿态高度;采用ESP8266无线透传、NRF24L01收发模块与指挥控制系统进行信息交互;针对外部电源903052锂电池进行分模块化的电路设计;基于动力组件的数学模型可预估飞行续航时间等。经实测结果表明,该硬件系统性能稳定、安全可靠,满足小型四旋翼飞行器基本功能需求。

四旋翼飞行器横风抑制算法设计与仿真

随着无人飞行器技术的迅猛发展,四旋翼飞行器在航拍、物流、搜救等领域中得到广泛应用。然而,外部天气环境的多变性,常常对飞行器的稳定性和控制性能产生负面影响。四旋翼飞行器需要在各种气象条件下保持稳定的飞行,其中横风是一个常见的挑战。基于自然界风的特点,文章研究并优化了一种用于横风抑制的算法,通过使用Simulink/Simscape联合仿真研究其性能。该算法基于传感器数据和控制策略来调整四旋翼飞行器的姿态,以维持稳定的飞行。通过仿真实验,验证了该算法的有效性和鲁棒性,为四旋翼飞行器在恶劣气象条件下的安全飞行提供了有力支持。

小型室内四旋翼飞行器悬停及避障系统设计

为了提高小型室内四旋翼飞行器的安全性能,基于STM32F103控制器以及惯性测量单元和观测传感器设计了一款悬停及避障系统。对加速度计和陀螺仪的数据进行互补滤波处理,通过一阶龙格库塔法对四元数微分方程求解,获取四旋翼飞行器实时姿态信息。通过超声波传感器和光流传感器测量四旋翼飞行器的高度和位置信息,并由姿态比例积分微分(PID)、位置PID、高度PID控制器控制四旋翼飞行器悬停飞行,由超声波传感器对周围物体进行实时检测并躲避。经一架轴距为330 mm的四旋翼飞行器实测,系统能在3 s内达到指定高度并保持悬停。悬停过程中,四旋翼飞行器姿态平稳、悬停飞行漂移小,并且遇到障碍物时能快速躲避。该系统具有安装简便、测量精度高、响应速度快等优点,能够提高四旋翼飞行器的安全性。

四旋翼飞行器事件触发轨迹跟踪控制

针对具有模型非线性和外界扰动的四旋翼飞行器,设计了基于事件触发的自适应模糊跟踪控制算法。首先将四旋翼飞行器系统分解为位置子系统和姿态子系统,并利用模糊逻辑系统在线辨识模型非线性和外界干扰。然后,基于反步递推技术设计自适应模糊控制律,同时构建自适应事件触发机制,非周期更新控制律和模糊参数自适应律。基于Lyapunov稳定性理论,以脉冲动力系统为工具,证明了闭环系统所有信号最终一致有界,而且跟踪误差能够收敛于零点的邻域内。此外,证明了所提控制算法可以彻底避免Zeno现象出现。最后,仿真结果验证了所提控制方案在保证四旋翼飞行器实现轨迹跟踪控制同时,可以有效减少控制器更新频率,提高系统资源利用率。

基于CNLS-MMD的孪生混合网络四旋翼飞行器故障诊断方法

四旋翼飞行器在众多领域中应用广泛,由于工作环境复杂多变,四旋翼飞行器极易出现结构损伤性故障,给飞行器的安全性带来巨大的挑战,因此开展四旋翼飞行器结构损伤性故障的相关研究对提高四旋翼飞行器可靠性具有重要意义。针对四旋翼飞行器在实际应用中结构损伤性小样本故障数据诊断率低的问题,本文提出了一种在小样本条件下基于卷积神经网络和长短时记忆网络的孪生混合网络(CNLS-MMD)四旋翼飞行器故障诊断方法。首先,设计试验获取四旋翼飞行器多工况结构损伤性飞行数据并对数据进行预处理。其次,建立基于孪生混合网络的故障诊断模型,采用卷积神经网络(CNN)和长短时记忆网络(LSTM)构建CNLS混合模型提取数据特征,利用最大均值差异(MMD)衡量样本的相似度,实现对故障标签的预测。最后,选择不同样本数量的训练集训练模型,使用多工况小样本数据集对搭建的模型进行故障测试。结果表明,该故障诊断方法具有较好的诊断性能和泛化能力。

基于UKF的四旋翼飞行器空气阻力系数辨识

针对微小型四旋翼飞行器动力学模型存在强非线性和强耦合性,空气阻力系数难以通过实验获得的问题,设计了一种机理建模与辨识建模相结合的方法,将待辨识参数作为状态变量增广到飞行器的动力学模型中,然后采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法对状态量进行估计。针对UKF算法发散的问题采用了一种基于状态方差阵对角相似分解的采样策略,最终有效辨识出了飞行器的三轴空气阻力系数。实验结果表明了UKF应用于四旋翼飞行器模型参数辨识的可行性与有效性。

四旋翼飞行器抗干扰轨迹跟踪控制方法研究

四旋翼飞行器可以在特殊复杂的环境下运行而备受关注,由于自身具有强耦合、欠驱动及非线性等特点,保障其突发环境变化时飞行轨迹和姿态的快速调整至稳定就变得很重要。首先对四旋翼飞行的中低空范围内风场进行研究,将风扰因素模型化并引入四旋翼系统模型中。其次四旋翼自身采用内外双闭环的控制架构,在位置外环和姿态内环框架内分别设计了全新的位置滑模控制器和姿态双闭环滑模控制器。在位置滑模控制器设计中提出一种带有鲁棒项的指数趋近律以实现外界环境干扰下飞行器对目标轨迹的准确跟踪。在设计姿态滑模面时加入了对姿态角跟踪误差值的积分项以提高四旋翼系统的鲁棒性。最终通过Matlab/Simulink数值仿真手段进行与传统滑模控制的对比仿真实验,检验了这里的控制方法具有更好的轨迹跟踪性能和鲁棒性。

四旋翼飞行器创新实验平台的渐进式教学实践

以微控制器为主控系统,电子调速器和无刷电动机为动力系统,开发了四旋翼飞行器创新实验平台,并通过各类传感器采集四旋翼飞行器的姿态数据和高度数据,确保其稳定飞行。该实验平台涵盖机械结构、硬件电路设计、嵌入式程序设计、传感器应用以及自动控制等多项课程内容。构建四旋翼飞行器创新实验平台的渐进式实践教学模式,综合运用不同课程知识,将仿真环节与实物实验相结合,采用由浅入深、由易到难、层层递进的方式设置实验,形成完备的知识体系和实践内容,加深学生对工程对象及其控制系统的理解,激发学生的创新意识。

固定时间扩张状态观测器下的四旋翼飞行器滑模控制策略

针对滑模控制中系统状态接近滑模面后存在的抖颤现象,提出一种基于固定时间扩张状态观测器(FTESO)的二阶滑模控制策略.首先,设计全驱动子系统及欠驱动子系统的控制结构中的二阶滑模控制器;然后,通过FTESO对内部的参数不确定及外部扰动进行观测,在一定时间上限内收敛到观测值,利用观测值对控制器进行补偿,从而减少甚至消除抖颤现象;最后,通过李亚普诺夫函数保证设计的四旋翼飞行器系统的闭环稳定性,并进行仿真实验.结果表明:文中提出的控制策略具有优越性.

四旋翼飞行器建模与控制器设计研究

四旋翼飞行器通过控制4个电机的不同转速,来完成定点悬停、前进、后退等多个动作,可接收高度、水平x、水平y、偏航角的控制信号,也可将飞行器空间位置、姿态角等信号反馈给控制器,为典型欠驱动系统,对飞行控制器的设计要求较高。本文先对四旋翼飞行器结构与飞行原理进行研究,并对如何进行四旋翼飞行器建模及采用姿态解算理论进行分析与研究,最后对PID控制器的设计及仿真效果进行探讨,可供相关人员参考。

基于PID的四旋翼飞行器控制系统研究

材料、动力、计算机技术的快速发展带动了无人机产业的进步。无人机按照旋翼数量可分为三旋翼飞行器、四旋翼飞行器、六旋翼飞行器以及八旋翼飞行器等,其中四旋翼飞行器结构简单功能多样,综合性能较强,在诸多领域得到广泛应用。在了解国内外四旋翼飞行器研究现状和主要控制方法及原理后,基于PID控制原理设计了四旋翼飞行器控制系统,通过数学建模和仿真实验验证了PID控制系统的稳定性。

基于改进模糊PID的农用四旋翼飞行器姿态角控制

在农业植保的喷洒农药作业过程中,四旋翼飞行器的飞行姿态角不稳定,工作效率不高。为更好地解决四旋翼飞行器的姿态控制问题,运用遗传算法对模糊控制器中的比例量化因子和隶属度函数进行优化,将改进模糊控制应用到农用四旋翼飞行器的姿态控制,提高姿态控制能力。MATLAB软件的Simulink进行模型创建与虚拟仿真,然后对四旋翼飞行器进行测试。仿真实验结果表明,与模糊PID控制器相比,改进模糊PID控制器上升时间缩短了0.3 s,超调量减小了4%,调整时间缩短了约2.5 s.改进后四旋翼飞行器的响应速度快,控制效果好,鲁棒性较强,姿态控制性能提升,有效地提高工作效率。

基于滑模控制器的四旋翼飞行器控制方法

针对四旋翼飞行器数学模型固有的耦合项,提出用滑模控制算法来设计四旋翼飞行器控制器。首先设置六个子系统来解耦四旋翼飞行器系统;然后通过修正虚拟控制项来完成控制器的设计;最后通过构造能量函数来确保这个子系统的稳定性。同理,通过该方法完成其他子系统控制器设计。利用MATLAB-SIMULINK仿真四旋翼飞行器,结果显示可以在这个控制器的作用下顺利快速地到达预先设定好的位置,验证了控制器的有效性。针对外界扰动多为未知的情况,利用自适应方法设计相应的控制器。仿真试验验证了该控制器在有外界扰动和未知扰动的情况下,都具有较好的鲁棒性。

四旋翼飞行器的全方位控制

由于近些年来军用无人机(UVA)的实战运用越来越广,同时大众对民用无人机的研究兴趣越来越强,自主飞行器的研究获得了极大的关注度。总结归纳了OS4研究项目中控制部分和建模方面的最终结果,其中重点方向是四旋翼的软件控制及四旋翼的结构设计;介绍了一种飞行器运动引起的空气动力系数变化的仿真模型,从中取得的参数可以顺利运用在直升机飞行研究中,并且不需要重新过多地进行调整修改;最后介绍了四旋翼飞行器的控制方法和完整控制方案,包含姿态、高度和位置,并总结记录了包括自主起飞、着陆、悬停及碰撞在内的结果数据。