一种可倾转四旋翼飞行器系统优化与控制研究

【目的】针对传统多旋翼飞行器由于欠驱动引起的强耦合性,难以实现位置和姿态控制的问题,需进一步提高多旋翼飞行器的机动性和灵活性。【方法】课题组设计了一种能够实现六自由度全向运动的可倾转四旋翼飞行器,通过对传统四旋翼机械结构进行可倾转设计,增加系统可控变量实现飞行器的全驱动;利用牛顿-欧拉方程推导出四旋翼的动力学模型,通过变量代换对控制分配矩阵进行线性化处理,针对动力学模型设计RBF神经网络以及非奇异快速终端滑模控制器,对系统不确定性与耦合效应进行估计和补偿;利用神经网络自适应控制逼近虚拟控制量,通过MATLAB/Simulink仿真验证了该控制器的可行性。【结果】所设计的飞行控制器拥有良好的位置和姿态独立控制能力,具有高度的灵巧性、鲁棒性、柔顺性和自适应性,能够有效地估计和补偿内部不确定性和外部干扰。     

自主无人机在农业施肥与除虫害的应用

针对我国传统的人工农药喷洒方式存在效率低下、环境污染等问题,对一种小型四旋翼无人机飞行器的喷洒控制系统进行研究。控制系统硬件设计采用STM32单片机作为主控芯片,姿态测量传感器采用高精度电子陀螺仪、磁力计、气压计。软件设计方面,将各个传感器采集到的数据通过算法进行数据融合,获取无人机实时姿态,实现对飞行器姿态的识别和控制。算法设计方面使用卡尔曼滤波算法、PID控制算法。该系统能够很好地识别和控制无人机的姿态,准确灵敏地按照操作人员的指示作业,满足低空喷洒农药的需求。     

农用飞行器恒力矩姿态建模及仿真

飞行器在农田环境中进行作业需要较高的系统平衡稳定性。通过构建恒力矩条件下四旋翼飞行器姿态模型的方法对系统的平衡稳定性进行预估,该模型解算出的实时姿态角数据可以在理论上进行系统稳定性参数的反演计算。本文通过对飞行器电机拉力不同方向的分解,对姿态角之间的关系进行转换,在分析恒力矩机身参数的条件下,建立起四旋翼飞行器的机体模型,并结合初值边界条件对实时三轴姿态角(α,β,γ)进行模拟计算,同时借助机械系统动力学软件Adams对姿态角进行相同条件下仿真。结果表明,所建模型的理论值和软件仿真值存在极大的相似性,验证了恒力矩姿态模型构建的正确性。     

基于专家控制的喷杆高度智能调节系统研究

针对喷杆喷雾机作业过程中,因田间地表起伏和土壤硬度不同导致喷杆与施药靶标面无法始终保持适当距离、影响施药均匀性和防治效果的问题,设计了一种喷杆高度智能调节系统。该系统采用3个超声波测距传感器获取喷杆不同位置的高度信息并用限幅滑动平均滤波算法对传感器数据进行预处理,同时将双轴倾角传感器分别安装于车体底盘中部和喷杆上,以实时获取喷雾机和喷杆的姿态信息。然后采用基于加权平均的多传感器融合算法对喷杆高度信息进行融合处理。利用专家知识和经验,综合考虑当前喷雾机姿态信息和喷杆高度信息,设计使用不同的控制参数和控制规则,再由专家控制推理机按照制定的控制策略进行推理输出。然后控制机构通过PWM控制电磁比例换向阀动作,驱动喷杆调节油缸对喷杆高度进行调节,使喷杆高度误差快速稳定在允许误差范围内。给出了喷杆系统的机械结构,阐述了系统硬件系统组成、工作原理和喷杆高度智能调节系统的专家控制算法和软件实现。系统通过CAN总线实时获取外部变量施药系统的工作状态信息,实现与变量施药系统的工作同步,同时由触摸屏实现人机交互,设定放大系数、衰减系数、动作阈值等控制参数,再通过CAN总线输送至控制器用于喷杆高度控制。系统应用于课题组研制的3WZG-3000A型大型喷雾机,并针对喷杆高度智能调节系统的调节性能进行了试验。试验结果表明,该系统可以快速跟随阶跃激励引起的喷杆高度调节需求,当喷杆高度控制允许误差设定为8%、阶跃激励为20cm时,最大调节时间不大于0.75s。     

超低空无入飞行器虚拟现实技术实现与仿真

为了远程控制超低空无人飞行器起降和监视其飞行状况,设计了基于虚拟现实技术的导航与控制方法。借助Multigen Creator软件,建立了飞行器的三维仿真模型,由DEM数据生成了地形场景,研究了三维模型的驱动方法。根据飞行器上装载的GPS接收机和其他传感检测设备实时传递的参数对虚拟环境下的飞行器模型及飞行场景进行驱动。同时给出反馈信号,控制飞行器按预定路线和姿态飞行,利用GIS技术,在数字地图上显示飞行轨迹。对飞行器的飞行轨迹和飞行姿态进行实时控制,仿真试验表明,对飞行器的远程导航控制是可行的。     

超低空无人飞行器虚拟现实技术实现与仿真

为了远程控制超低空无人飞行器起降和监视其飞行状况,设计了基于虚拟现实技术的导航与控制方法.借助Multigen Creator软件,建立了飞行器的三维仿真模型,由DEM数据生成了地形场景,研究了三维模型的驱动方法.根据飞行器上装载的GPS接收机和其他传感检测设备实时传递的参数对虚拟环境下的飞行器模型及飞行场景进行驱动.同时给出反馈信号,控制飞行器按预定路线和姿态飞行,利用GIS技术,在数字地图上显示飞行轨迹.对飞行器的飞行轨迹和飞行姿态进行实时控制,仿真试验表明,对飞行器的远程导航控制是可行的.     

四旋翼飞行器PID控制器的设计及仿真

为了验证四旋翼飞行器PID控制的优良性能,本文对四旋翼飞行器动力学模型进行了推导,对飞行器线运动和角运动方程进行了建立,设计了飞行器位置和姿态控制器,并在Matlab/Simulink中对其进行了设计仿真。     

果园四旋翼自主飞行器的巡航检测系统设计

针对四旋翼飞行器结构简单且对称,灵活性强,成本低廉,性能卓越等优点,基于STM32F407的飞行模块和空气动力学与飞行运动学的理论计算分析,设计一台具有自主巡航检测功能的四旋翼飞行器,用于果园信息的采集和传递。本设计主要由飞行控制、电源、电机驱动、高度测量、摄像、数据采集与传输等6大模块组成。采用PID飞行控制策略作为本设计的控制方法,调整飞行姿态使之更稳定;同时搭载多种传感器采集果园田间信息,并基于ZigBee与GPRS无线传感网络完成最终的数据采集和传输,最终实现飞行器的自主飞行与信息的监测和传递。     

基于冠层信息的马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统研究

为解决喷杆式喷雾机在对马铃薯等茄科茄属作物进行喷施作业时喷杆相对作物冠层距离精确测量与控制问题，设计了一套马铃薯喷雾机喷杆高度控制系统。该系统采用二维激光雷达扫描田间马铃薯的植株冠层，根据种植模式对田间马铃薯植株进行冠层单元分割，通过融合姿态传感器的数据对雷达输出数据矫正，并基于中值滤波算法、移动最小二乘曲线拟合方法处理冠层点云数据，实时解算出喷杆相对冠层顶部的垂直距离信息，同时融合油缸位移传感器数据设计了双阈值喷杆高度调控策略，实现喷杆相对马铃薯冠层距离的精准调控。系统应用于3WP-1500型喷雾机，通过高度检测精度试验和高度调节试验测试了系统性能。试验结果表明，通过激光雷达检测作物冠层高度的最大相对误差为7.16%，平均相对误差为3.95%。高度调节试验表明，通过确定最优的调节阈值，可以有效降低喷杆高度调节误差，提高系统稳定性，测试高度调节标准偏差为21.81mm，平均相对误差为3.08%，系统运行平稳，满足喷杆相对冠层距离自动控制需求。     

农用无人机纵向姿态控制系统设计及仿真

针对农用无人机的作业特点和应用领域,设计了一种基于经典PID控制方法的纵向姿态控制系统。首先,利用Mat Lab软件建立了无人机在配平点处的纵向运动数学模型,分析了无人机的纵向运动规律。在此基础上,采用经典PID理论对无人机纵向运动的俯仰角控制回路和高度控制回路进行设计。通过Simulink软件进行仿真实验,结果表明:该飞行姿态控制系统控制效果良好,可以满足农用无人机的技术要求。     

倾转三旋翼垂直起降无人机悬停姿态控制

针对一种倾转三旋翼垂直起降(VTOL)飞行器在悬停状态下的姿态控制问题,设计了一种基于STM32系列微控制器的飞行控制系统。采用十轴组合惯性导航模块实时采集载机平台姿态信息,并结合基于四元数的互补滤波算法进行姿态信息解算。针对无人机姿态控制实时性和精度要求高的特点,采用串级PID控制算法对载机进行悬停状态下的姿态控制。实验结果表明:串级PID控制算法在悬停状态下能够对倾转三旋翼垂直起降飞行器进行快速、稳定、准确的姿态控制,并具有一定的鲁棒性。在横滚角的内环采用PD控制(Kp为8.371,Kd为3.015),外环采用PD控制(Kp为5.1,Kd为1.15);俯仰角的内环采用PD控制(Kp为3.137,Kd为1.6),外环采用PID控制(Kp为3.43,Ki为0.003,Kd为3.97);偏航角采用PI控制(Kp为9.30,Ki为0.11)时,其悬停状态下具有最优姿态控制效果。研究结果对倾转三旋翼垂直起降飞行器飞行控制的后续研究具有指导作用。     

多约束条件下某智能飞行器质心平衡优化

飞行器各油箱内油量的分布和飞行器供油策略将导致飞行器质心的变化,进而影响飞行器姿态控制.以某智能飞行器为研究对象,通过建立各飞行姿态下油箱质心位置与飞行器整体质心位置间联系的数学模型,将飞行器供油策略问题转化为使用贪心算法搜索每一时刻的最佳供油油箱及其供油速度的最优解问题.在各个油箱初始油量未知的条件下,选用收敛性好、...     

水田激光平地机平地铲姿态测量系统的设计

水田激光平地机水平控制作为农田激光平地技术的重要组成部分,其研究过程中首先要解决平地铲实时倾角测量问题.为提高倾角测量精度,设计了平地铲姿态测量系统,采用MEMS传感器集成模块AD1S16300作为惯性测量单元,通过卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算平地铲倾角.分析了姿态测量系统的构成,阐述了两种传感器融合测量实时倾角的方法,基于ARM7 Cotex- M3微处理器设计了姿态测量系统硬件.采用AHRS500GA对该姿态测量系统性能进行了融合算法验证与ADIS16300测量平地铲倾角验证.测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定平地铲实时倾角,可以进一步应用于激光平地机的水平控制之中.     

自行车自动挡系统的研究开发

本文提出一种自行车自动挡系统,通过对自行车后轮速度检测和对自行车姿态检测,经微型控制器处理后得到挡位信息,从而通过控制舵机旋转,带动自行车后拨链器进行变换挡位。     

四旋翼飞行器姿态解算研究及最优化设计

小型四旋翼飞行器在民用与军事等各个领域具有广泛应用,是当前研究的热点之一。四旋翼稳定与可靠飞行的前提必须依靠迅速和精确的姿态角数据解算。因为姿态角解算精确程度直接影响着四旋翼飞行器在飞行过程中的灵活性、稳定性、抗干扰性,所以对姿态角解算方法的研究具有重大意义。     

果园管理机的倾翻预警控制系统设计与试验

针对目前果园管理机复杂的作业环境,果园管理机缺乏相应的安全预警机制,设计果园管理机防倾翻控制系统,单片机作为控制系统的核心,采集传感器获取的信息,经处理后,控制果园管理机作业状态,设置倾翻预警时间和横向载荷转移率作为倾翻预警的判断指标,同时通过控制果园管理机主动制动和主动转向对果园管理机的姿态做出调整,防止机车倾翻。试验结果表明该系统能够有效检测果园管理机的作业姿态,降低翻车的可能,提高作业人员的安全系数。     

农药喷洒四轴飞行器的模糊PID姿态控制

为了实现四轴飞行器更稳定的姿态控制,建立了四轴飞行器四元数运动学方程,并给出了四元数微分方程的解析解和数值解,在此基础上求解出了欧拉角.针对农药喷洒四轴飞行器在作业过程中负荷发生改变后影响控制效果的问题,设计了模糊PID控制器,通过Matlab/Simulink仿真,对比传统PID控制效果,验证了算法的可靠性.搭建了飞行器试验平台,在stm32飞控板上编程实现算法.试验中,通过改变飞行器质量,对比了传统PID和模糊PID的控制效果.在飞行器质量改变前后,模糊PID比传统PID的超调量分别降低22%和30%,上升时间分别减少0.06,0.08 s,调节时间分别减少0.70,0.80 s.试验结果表明,模糊PID控制系统较传统PID控制具有响应速度快、超调量小等优点,能更好地满足农业作业四轴飞行器的控制要求.     

植保四轴无人飞行器关键技术探讨

笔者首先介绍了四轴飞行器的机械结构及飞行原理,然后分析了飞行器控制系统的软硬件设计,最后探讨了飞行器姿态数据的获取与解算以及实现飞行器稳定飞行的控制算法,希望能够为今后相关问题的研究提供一定的参考依据.     

基于STM32F4的机载三轴云台控制器设计

为获取低空高分辨率可视光谱图像信息,本文设计一种以小型无人机为搭载平台的三轴云台。系统采用嵌入式微控制器STM32F429作为主控单元,相机采用6轴运动处理传感器MPU6050的角速度信息作为速度环的反馈,通过串行扩展总线与云台主控单元通信,使用低通滤波进行姿态解算。系统采用三相脉冲宽度调制PWM信号对直流无刷电机进行控制,实现控制电机转子平滑过渡到任意角度。为了验证该系统的可靠性,将此云台搭载在六旋翼无人机上进行性能测试,结果表明挂载该云台获取无抖动高分辨率图像能够满足实验要求。     

电控空气悬架车高调节与整车姿态控制研究

针对电控空气悬架在车高调节过程中存在的过充、过放以及振荡等不良现象,提出一种能够对气体质量流量进行自适应调节的神经网络PID控制方法。根据车辆系统动力学和变质量充放气系统热力学理论,建立了电控空气悬架车高调节数学模型,设计了车高调节BP神经网络PID控制器,并对控制器的实际性能进行了仿真验证。在此基础上,为了进一步防止车高调节过程中因四角高度调节不同步而引起的整车姿态失稳现象,基于模糊控制算法对系统局部控制量进行了修正,从而形成整车姿态模糊控制器。最后,基于D2P快速开发平台搭建了电控空气悬架车高调节控制系统,进行了整车台架试验。试验结果表明,所设计的控制系统不仅能够实现车身高度的有效调节,同时还能抑制车高调节过程中的整车姿态变化。