可倾转翼四旋翼飞行器垂直起降模式控制系统研究

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1、硕士学位论文万方数据可倾转翼四旋翼飞行器垂直起降模式控制系统研究万方数据CoNTRoLSYSTEMRESEARCHoNVToLMODEOFQUADTILT。wINGuAVf㈣AThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYHUANGPoSupervisedbySUNChang-yinSchoolofAutomationSoutheastUniversityFebruary2014万方数据东南大

2、学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：董堑坠东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文

3、。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：益超导师签万方数据摘要手两要可倾转翼四旋翼飞行器是近年来无人机领域的一次重要创新，它既可以以直升机模式垂直起降和悬停，也可以以固定翼模式高速巡航，此外四旋翼结构使它还具有较大的载重量。这些优势使可倾转翼四旋翼飞行器具有重大的使用价值和广阔的发展前景。本文重点对可倾转翼

4、四旋翼飞行器垂直起降模式的控制系统进行研究。首先，根据项目需求进行了机身设计和控制系统硬件设计，给出了微控制器、传感器和执行器等主要器件的选型，并在考虑电磁兼容和系统功耗的情况下对电路板进行了优化设计，最终完成了可倾转翼四旋翼飞行器的实验平台。其次，对构建的可倾转翼四旋翼飞行器进行了动力学分析，得到了其非线性动力学模型，并经过合理的假设推导出了垂直起降模式线性化后的动力学方程。传感器是控制系统反馈信息的重要来源，为了滤除传感器噪声，分别使用了扩展卡尔曼滤波器和Mahony滤波器来推测精确的姿态角度，并通

5、过仿真比较两者的性能。控制器设计采用了分层的思想，上层是位置控制器，下层是姿态控制器。位置控制器采用了双闭环PID控制方法，姿态控制器分别采用了线性二次型(LQ)控制方法和PID控制方法。并且通过仿真验证了控制器的有效性。最后，提出了控制系统的软件设计方案，并在实验平台上对部分控制算法进行了验证，飞行试验表明，本文设计的控制系统有效适用，可倾转翼四旋翼飞行器可以达到稳定的垂直起降。关键字：可倾转翼四旋翼飞行器；LQ控制：双闭环PID；卡尔曼滤波器；Mahony滤波器；万方数据ABSTRACTQuadTi

6、lt—wingunmannedaerialvehicle(QTW-UAV)isanimportantinnovationoftheUAVfamilyinrecentyears．Itcanflylikeahelicoptertoachieveverticaltake—offandlanding(VTOL)andhovering．Bychangingtheanglesofthewingsandrotorswithatiltmechanism，QTW-UAVCanalsoflyathighcruisingsp

7、eedwhichfeaturesthefixed—wingaircraft．Inaddition，thefour-rotorstructureCallmakeQTW-UAVcarrymoreweight．TheseadvantagesshowthatQTW-UAVhasgreatusevalueandgreatprospects．ThispaperfocusesonthecontrolsystemdesignofQTW-UAVwhenitisinVTOLmode．Firstly,accordingtor

8、equirementstheairframeandhardwareofcontrolsystemaredesigned．Themicro-controller,sensorsandactuatorsarechosenwithcarefulconsideration．AfterelectromagneticcompatibilityandpowerconsumptionareconsideredthePCBisdesignedoptimall