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《中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)》 2018年
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新型多旋翼无人机的低成本组合导航与稳定控制

裴信彪  
【摘要】:多旋翼无人机在近些年来的发展十分迅速,其机械结构简单可靠,飞行机动能力多样,实际操控便捷且环境适应性很强,受到科研与工程技术人员的越来越多重视,并取得了丰硕的研究成果。目前旋翼无人机多采用四旋翼、六旋翼等配置,通过导航、控制等设计实现空间六自由度的运动。四旋翼原理上属于欠驱动系统且没有配备足够的执行机构保证冗余度,同时受旋翼数量的限制其带载能力较弱。六旋翼结构冗余度较高且带载能力显著增强,但多电机运转整机振动较大,对导航与控制的稳定性、精准性和可靠性提出了更高要求,设计时多采用价格高昂的高品质的导航元件,这大大制约了多旋翼机型的广泛推广。本文在课题组自主研发的新型CQ-12旋翼无人机基础上,围绕其低成本组合导航与飞行稳定控制开展深入研究,主要的工作有以下几个方面:对新型CQ-12旋翼无人机的动力学特性进行研究。在对新型无人机结构特点分析的基础上经过合理的简化过程,构建其沿质心位置变化和绕质心姿态变化的动力学模型,建立控制关系并推导其运动方程组,为无人机稳定控制算法的研究提供更精准的受控模型。对低成本组合导航传感器的预处理进行研究。在分析低成本传感器特性的基础上,分别构建惯性测量单元(INS)、全球定位系统(GNSS)、磁力计(COMPASS)、气压计(BARO)的误差模型并分析误差来源,提出各传感器的快速现场标定算法,并设计了对应的在线预处理方法,为组合导航提供稳定可靠的数据源。对低成本组合导航数据融合算法进行研究。在对比各型数据融合方法的基础上,设计了低成本元件高输出精度的高维数组合导航EKF算法,构建24维状态空间并给出各步骤的详细推导方程。研究该算法的初始对准技术,结合固联机体常进行大角度机动带来的噪声异常,提出方差自适应整定方案。为研究人员急需的EKF算法工程实践提供清晰的各环节具体实现方法。对低成本组合导航EKF算法的稳定性进行研究。针对高维数EKF算法稳定性与可靠性进行分析,创新性的提出了EKF-CPF主动容错算法,保证EKF算法的长期稳定解算。在算法的仿真设计中给出Simulink具体实现过程,为科研人员急需的EKF仿真实现提供清晰的设计参考,并给出了各步骤实际参数。通过仿真和实测验证了算法的实时性与有效性。对新型CQ-12无人机的姿态控制算法进行研究。针对无人机模型参数不确定与未建模扰动,引入了自适应方法并证明了姿态控制算法的稳定性,设计了基于Backstepping算法的姿态控制器。为解决Backstepping工程实现中的运算量难题,引入虚拟指令滤波方法,在大大减小运算量的同时保证无人机姿态的稳定跟踪。通过仿真和实测验证了姿态控制器的跟踪效果。对新型CQ-12无人机的位置控制算法进行研究。针对无人机抗扰能力的需求,设计了基于自抗扰(ADRC)算法的位置控制器。对TD、ESO、NLSEF各环节进行设计。给出位置控制器调节参数,对姿态与位置控制器相结合的飞行控制系统,通过仿真和实测验证位置控制器的跟踪效果,通过搭载遥感载荷的实际测量进一步验证飞行控制算法的实用性。对飞行容错控制算法进行研究。针对执行机构故障的来源进行分析和建模,提出带阈值判别的故障检测算法,设计了标称器与自适应逼近器想结合的容错控制器。通过仿真验证容错控制器的有效性,为新型旋翼无人机飞行控制系统的可靠性打下坚实基础。本文通过对新型CQ-12旋翼机的低成本组合导航和稳定控制算法的研究,期望为低成本、高品质的多旋翼无人机的推广和应用做出贡献。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:V279;V249

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