【摘 要】
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四旋翼飞行器以其结构简单,机动性能好成为目前最普遍和最流行的多旋翼飞行器,在军事领域和民用方面都具有广阔的应用前景和研究价值。目前,PID控制是四旋翼飞行器姿态控制和
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四旋翼飞行器以其结构简单,机动性能好成为目前最普遍和最流行的多旋翼飞行器,在军事领域和民用方面都具有广阔的应用前景和研究价值。目前,PID控制是四旋翼飞行器姿态控制和位置控制中最常用的控制方法,PID控制方法能够满足常规控制需要,但对于强风干扰、载荷变化等复杂扰动和高稳定性、准确性的控制要求稍显不足,鉴于自抗扰控制(ADRC)具有抗扰能力强的独特优点,本文采用自抗扰控制算法对四旋翼飞行器的控制进行应用研究。本文首先研究了四旋翼飞行器的基本结构和飞行方式,具体分析了飞行器的工作原理,如姿态解算、位置估计、姿态控制、位置控制等,为后面搭建飞行器模型和设计飞行控制器奠定基础。然后,根据螺旋桨空气动力学原理和牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的数学模型,在MATLAB/Simulink中搭建了四旋翼飞行器的非线性仿真模型,编写了自抗扰控制器模块并将其应用到四旋翼飞行器的姿态控制和位置控制仿真中,针对飞行器大角度运行时三个姿态角之间相互影响变大和航点之间飞行时飞行器高度下降的问题,在姿态控制通道和高度控制通道分别专门加入了解耦模块和倾斜补偿模块。在姿态和位置的稳定性,跟随性,抗扰性仿真测试中,自抗扰控制算法与PID相比要表现出一定的优越性,验证了自抗扰控制算法在四旋翼飞行控制中的有效性。最后,应用APM飞控、电机、电调、锂电池、机架等配件组建了四旋翼飞行器实验平台。基于APM开源飞控的程序结构,用专业开发工具在姿态控制库中编写了自抗扰控制算法,在系留试验中对飞行器进行横滚、俯仰和转头调试,在放飞实验中实现了四旋翼飞行器的悬停飞行。结果表明自抗扰控制在旋翼飞机控制中的优越性。
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