工业用四旋翼无人机的控制系统设计分析

3.0 闻远设计 2024-03-29 31 4 493.98KB 8 页 免费
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工业用四旋翼无人机的控制系统设计分析
        要: 无人机得益于其机身尺寸等因素,具有体积小、高机动性等优越性能。随着传
感器与控制技术的不断地发展与成熟,无人机在工业领域得到越来越多的应用,例如安防、巡
检、测绘等。为了实现对无人机高精度的控制,对无人机的控制系统进行了研究,在构建无人
机非线性动力学方程的基础上,采用准 LPV 算法对状态方程进行线性化,从而得到系统的传
递函数,并在此基础上,采用 PID 控制算法,分别设计了垂直、俯仰、滚转与偏航角通道的控
制器结构参数。采用 Matlab 软件进行控制系统仿真,从而验证了无人机控制系统设计的有效
性。
        Abstract  Unmanned aerial vehicle(UAV) benefits from its body size and other 
factors,with small size,high maneuverability and other superior performance.With the continuous 
development and maturity of control and sensor technologies,UAVs are increasingly used in industrial 
fields,such as emplacement,inspection,surveying and mapping,etc.In order to realize high precision 
control for unmanned aerial vehicle in this paper,the control system of UAV is studied.In the 
construction of UAV,on the basis of nonlinear differential equation,the quasi LPV algorithm is used to
linearize the nonlinear equations to obtain the system transfer function.Then,controller structure 
parameters are designed for channel of the vertical design,pitch,roll and yaw 
angle,respectively.MATLAB software is used to simulate the control system,which verifies the 
effectiveness of the design of the UAV control system.
    Keyword  unmanned aerial vehicle; PID control algorithm; control system design; the 
application of UAV;
    根据无人机的旋翼形式,其被进一步划分为单旋翼、四旋翼、六旋翼与八旋翼。相较于固
定翼无人机,旋翼无人机可以垂直起降与悬停,对起飞降落的要求也更低,因而具备更好的机
动性[1,2,3]。在众多旋翼无人机机型中,四旋翼无人机由于造价低廉与飞行性能稳定,在民用
领域应用最多。从实际结构来看,其机身是由四个机臂组成,电机与旋翼都对称地安装于相应
机臂的前端位置。从飞机动力学系统来看,该种机型具有六个姿态状态,四组动力输入,为典
型的欠驱动系统,因此其系统状态间存在耦合关系,使得其控制具有一定的复杂性[4,5,6,7]
具体而言,四旋翼无人机通过控制四个旋翼电机转动速率,从而实现机身的升降、启停、俯
仰、偏航与滚转姿态。目前现有文献中,常见的无人机控制算法有反步法、PID 控制、自适应
控制、滑模变结构、模型预测控制等[8,9]
    1  、 四旋翼无人机结构与工作原理
    通过控制机身机臂上电机的转动速率,从而控制不同扇叶的旋转速度,进而实现机身的姿
态的变化。具体来说,当无人机需要获得向上升力时,可通过提高电机的转速;当无人机需要
降落时,则可相应地降低电机转速;当无人机需要在设定点进行悬停操作时,则可控制电机的
转速恒定。四旋翼无人机有六个自由度,包括三个姿态运动与三个平移运动,即俯仰、偏航、
滚转、前向、侧向与垂直运动。接下来,我们将对以上六种运动进行简单的介绍,为了方便分
析,机身结构示意图如图 1所示,其中序abcd分别示四组电机。
    1 无人机机身结构示意图
 (1)俯仰运动
    为了使得无人机机体俯仰运动,可以在bd电机转速不变的情况下,提高 a
电机的转动速率,即提高了 a位置旋翼的升力,c电机的转动速率,即降低 c
翼的升力,从而使得机身头部上升而尾部下降,因而无人机机体将以 y为转轴做俯仰运动。
,也可降低 a电机的转速并提高 c电机的转速,则使得无人机机体头部降低而机
升,因而机体将以 y轴往另外一侧进行俯仰运动。
   (2)偏航运动
    当无人机四个电机转速不同时,体反扭矩处未完全抵消状态,剩余的反扭矩使得
机体产生偏航运动。当 ac电机同时增加转速,而 bd电机的转速小,因而 a
c旋翼产生的反扭矩bd号产生的反扭矩剩余的反扭矩使得机体往扭
方向转动,产生了相应的z偏航运动。同,提高 bd电机转速并
ac电机转速,则剩余的反扭矩会使得机体z轴做逆偏航运动。
   (3)滚转运动
    保持 ac电机的转速不变,提高 b电机的转速的同时,降低 d电机的转速,
则机体将x轴做滚转运动。同,如降低 b电机转速的同时,提高 d电机的转速,
则可使得机体以 x为转做顺滚转运动。
   (4)前向运动
    为了使得无人机机体可以前向运动,则需要在平方向上产生一定的作用力。当提高 c
电机的转速,降低 a电机的转速,此保持 bd电机的转速不变,即保持扭矩
于平状态,则机体产生了在平方向的机身倾斜角,从而使得旋翼产生的升力转化为机体
前向运动的动力。同,如降低 c电机的转速,提高 a电机的转速,此保持 b
d电机的转速不变,则机身x轴负方向前向运动。
   (5)侧向运动
    当无人机的 b电机转速提高,d电机转速降低,ac电机转速不变,则使得机
体向 y轴倾斜,并在产生倾斜之后侧向运动。同,如降低 b电机的转速,提高 d
电机的转速,同时保持 ac电机转速不变,则机体会朝着反方向侧向运动。
   (6)垂直运动
    当同时提高无人机机体四个电机转动速率,并证所产生的升力于机体所承受力,
则可使得机体进行垂直向上的运动。同,当四个电机的转速同时降低,使得所产生的升力小
于机体所承受力,则可机体进行垂直向下的运动。
   2  、 四旋翼无人机平移运动动力学方程构建
    为了建无人机的动力学模型,首先需要提以下三个
    1无人机的坐标系是建坐标系下的;
    2无人机所承受速度为恒定
    3无人机机体为体,结构对称,在挂载物情况下,其机体重心位于几何
    当无人机在 x,y 上运动时,机身的运动无人机的升力与干扰力的影响;当无
人机在 z方向运动时,其机身的运动不与升力以及气干扰有关,与机身所受重力有
关。在机身坐标系下,无人机所力如下所示
    其中 Fi,i=(1,2,3,4为机臂旋翼所产生的升力,具体表达式为 Fi=bωi2,其中 ω示旋翼
的转速,b为升力参数。将上述表达(1)通过坐标转化,得到其在坐标系下机身所向上
分力的表达式为
    坐标系下,干扰表达如下
    其中,Di,i=1,2,3 干扰力参数。上,根据牛顿第二,可以得到机身平移动力
学方程
   3 、四旋翼无人机姿态动力学方程构建
    无人机机身所的力分别有滚转力、俯仰力、偏航力及陀螺一个
矩产生描述如下滚转与俯仰力是由滚转控制力与俯仰控制力分别与旋转半径
到,偏航力是机身四个旋翼反转力总和。因而,我们可以推出如下三个控制输入力
数学表达
    其中,l是旋翼中到无人机机身中距离b是无人机的反转力系数,d是无人机的
升力系数。陀螺的数学表达式为
摘要:

工业用四旋翼无人机的控制系统设计分析  摘    要: 无人机得益于其机身尺寸等因素,具有体积小、高机动性等优越性能。随着传感器与控制技术的不断地发展与成熟,无人机在工业领域得到越来越多的应用,例如安防、巡检、测绘等。为了实现对无人机高精度的控制,对无人机的控制系统进行了研究,在构建无人机非线性动力学方程的基础上,采用准LPV算法对状态方程进行线性化,从而得到系统的传递函数,并在此基础上,采用PID控制算法,分别设计了垂直、俯仰、滚转与偏航角通道的控制器结构参数。采用Matlab软件进行控制系统仿真,从而验证了无人机控制系统设计的有效性。    Abstract: Unmanned aeria...

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