四旋翼无人机位置与姿态控制研究发展综述

四旋翼无人机是一种常见的空中机器人,被广泛应用于军用和民用领域.笔者针对四旋翼无人机的位置控制和姿态控制的研究进展进行了回顾与总结,分析了位置控制与姿态控制的特点与难点,详细介绍了自抗扰控制、自适应控制、反步法控制、数据驱动控制、主动抗扰控制及滑模控制等目前常见控制技术,并对四旋翼无人机飞行控制的关键问题与困难进行了分...     

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。     

农业植保多旋翼无人机飞行控制系统设计

【目的】为了确保农业植保无人机能够在合适的位置喷洒农药,提高控制精度、作业效率并降低成本,有必要对多旋翼无人机的飞行控制系统进行优化设计。【方法】本研究团队以STM32F428IGT6芯片为核心,设计了农业植保多旋翼无人机飞行控制系统。首先概述了无人机飞行控制系统的整体架构,该飞控系统由主控系统、惯性测量单元、喷洒系统、空速测量系统等构成。其次,详细分析了无人机飞行控制系统的电源供电系统设计、通信设计、传感器选择、喷洒系统设计等硬件设计。最后,阐述了无人机飞行控制系统的算法设计,主要包括无人机姿态解算和PID控制算法,并介绍了该系统应用优势。【结果】该系统各模块之间执行SPI和CAN总线协议,可以将传感器实时采集的高度、速度、偏航角等参数传输到主控系统中,利用MCU芯片完成参数的分析处理,在此基础上发出新的调控指令,让多旋翼无人机沿着既定航线飞行,在到达特定位置后启动喷洒系统并完成喷药作业。【结论】该系统能让无人机在合适位置喷洒农药,达到远程控制、自动作业的效果,提高了植保作业效率,有利于促进现代农业机械化高质量发展。     

一种低成本航拍四旋翼农用无人机的设计

为在农业监测中获得大面积的农田影响信息,设计一种成本低、稳定性高且可存储图像和视频的航拍四旋翼农用无人机,用于农田信息监测。装置包括控制器、姿态传感器、电子调速器模块、无刷电机、图像采集模块、存储模块和遥控器,以STM32103CBT6为核心处理器,并移植入uC/OSII操作系统,通过姿态传感器MPU6050及磁力传感器HMC5883采集姿态数据,并经过滤波、四元数、欧拉角转换,以串级PID作为主要控制算法控制无刷电机,保证四旋翼的平衡。用遥控器控制其姿态及航拍,并将视频数据经过滤波等处理后以AVI格式存入SD卡,用于农作物生长状态,生理指标的检测或进行农作物产量的估计。     

农用无人机现状与发展趋势

0引言无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空器。它们没有驾驶舱,但安装有自驾仪、飞行姿态控制等设备,以助推、垂直起降、喷射起飞等方式起飞,以降落伞、拦阻索、接收网等方式回收,可多次使用。无人机曾经作为一种作战武器在战场中显示出强大的战斗能力。无人机在民用领域应用主要表现在航空摄影、地面灾害评估、航空测绘、交通监视、消防、人工增雨等方面。无人机在农田中的应用逐渐开始出现,主要集中在农田信息遥感、灾害预警、施肥喷药等领域。     

卫士WSZ-1805多旋翼植保无人机

该机由山东卫士植保机械有限公司生产制造,主要特点有:使用聚合物锂电池,噪音低,可实现低空飞行;可在较狭小的空间垂直起降,飞行稳定;简单的机械部件组成,体积小、质量小、载质量大;飞行器自身质量6 kg,可携带包括电池组在内高达18kg的质量,载质量能力是自身质量的2倍,而展开面积不足1 m2,折叠后连同附件设备可以轻松收纳     

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。     

山地履带拖拉机与农具姿态协同控制系统设计与试验

针对山地履带拖拉机(简称山地拖拉机)等高线作业时,车身调平和农具仿形作业不同的姿态调整需求,在建立车身及农具运动学模型的基础之上,构建了整个系统的控制策略,设计了车身与农具姿态协同控制系统,其中,对车身和农具的控制分别采用PID算法和双闭环模糊PID算法.基于Simulink对控制算法进行了仿真分析,结果表明:采用PI...     

基于无线传感网络的农业无人机航线控制系统

无人机是一个由飞行器、控制站、通讯设备和其它部件形成的系统,在农业领域主要应用于农药喷洒、信息监测和农业保险勘察。农业无人机在飞行过程中的实际航线与规划航路之间会存在偏差,不仅降低了作业质量,还会影响作业效率。无线传感网络是一种与无人机紧密结合的技术,可以用于对无人机的航线进行控制。为此,基于无线传感网络,设计了无人机的航线控制系统。该系统由无人机平台、传感节点、汇聚节点和控制中心4部分组成,对航线的控制通过二维坐标系跟随算法完成。试验结果表明:无线传感网络对直线和曲线航线的跟踪更加稳定,具有较高的航线控制精确度。     

半主动悬架山地拖拉机姿态控制系统设计与仿真

为提高山地拖拉机在复杂农田环境中的作业平稳性,基于Matlab/Simulink仿真平台,搭建了半主动悬架拖拉机七自由度时域仿真模型,包括四轮路面激励模型、半主动悬架振动模型、半主动悬架拖拉机车体受力分析模型、车身姿态分析模型以及半主动悬架拖拉机时域仿真模型,以车身垂向位移、车身倾斜角和车身俯仰角作为拖拉机的姿态变化参数进行仿真试验。通过构建增量式比例积分微分（Proportion integration differentiation, PID）控制器和反向传播（Back propagation, BP）神经网络PID控制器仿真模型实现对半主动悬架拖拉机车身姿态的自动控制,并分别对两种控制器的控制性能进行测试与评价。利用车身垂直向加速度和车轮相对动载作为半主动悬架系统性能的评价指标,对两种控制方式下的半主动悬架性能进行了评价。仿真结果表明：基于传统增量式PID控制算法的半主动悬架拖拉机,其车身垂直位移均方根减少42.17%、侧倾角均方根减少36.76%、俯仰角均方根减少57.85%,其车身垂向加速度为0.0177m/s2,4个车轮的动载荷均方根分别为0.0284、0.0346、0.0239、0.0304N。基于BP神经网络PID控制算法的半主动悬架拖拉机,其车身垂直位移均方根减少74.54%、侧倾角均方根减少74.66%、俯仰角均方根减少75.03%,其车身垂向加速度为7.5758×10-5m/s2,4个车轮的动载荷均方根值分别为0.0197、0.0235、0.0166、0.0198N。相比增量式PID控制的半主动悬架拖拉机,基于BP神经网络PID控制的半主动悬架拖拉机,其车体平稳性得到了较好的提高。     

基于改进樽海鞘群算法的四旋翼飞行器姿态优化控制

针对集总干扰下四旋翼飞行器的姿态控制问题,提出了一种基于线性扩张状态观测器的快速连续非奇异终端滑模控制策略。该方法通过线性扩张状态观测器来估计和补偿集总干扰的影响,提高控制器的稳定性;借助非奇异终端滑模面有限时间收敛的特性设计控制律,加快控制器的收敛速度;控制器的稳定性分析由Lyapunov函数得以证明。引入樽海鞘群算法来优化控制器中的参数,提升控制性能。进一步地,引入一维正态云模型与自适应算子来克服参数整定算法的固有缺陷,增强其优化能力。通过仿真与试验验证了本文方法的有效性与实用性,结果表明:在阵风干扰下,本文方法比线性自抗扰控制策略具有更高的跟踪精度、更强的抗干扰能力与更快的响应速度。     

喷杆喷雾机旋翼悬浮式喷杆自动调平控制系统研究

现有的大型喷杆喷雾机的喷杆大多采用传统桁架结构,随着喷杆长度的增加,配套机构、设计复杂度及整机质量相应增加,整机质量大,农田中行走的通过性差,陷车风险高;喷杆平衡控制难度加大,降低了整机的可靠性和便利性;特别是在水田喷施作业中,大型喷杆喷雾机的功能受到很大限制。本文提出了一种旋翼悬浮式喷杆,分别融合地面机械高续航、载重大和空中无人机作业灵活、受地形地貌限制小的优点,并设计了自动调平控制系统以实现喷雾机喷杆在喷施作业过程中保持水平姿态。分析了喷杆的受力情况,对自动调平控制系统进行了辨识和建模,采用“陀螺仪+激光雷达”进行双传感器融合控制的方式,开展了旋翼悬浮式喷杆自动调平控制算法的仿真试验、台架试验和田间试验。试验结果表明：采用双传感器融合的模糊PID控制算法优于单传感器的角度PID控制算法,可较好地避免出现失稳状态;在田间试验中,当喷杆进入稳定状态后,整根喷杆各点离地高度均值在1.4~1.5m之间,标准差不大于0.1027m,具有较好的水平度;所采集的10个不同时刻喷杆各点高度均值的变异系数为1.40%,说明喷杆悬浮高度的稳定性较好。该研究验证了旋翼悬浮式喷杆作业方法的可行性。     

喷杆喷雾机旋翼悬浮式喷杆自动收放控制系统研究

旋翼悬浮式喷杆分别融合了地面机械和空中无人机的优点,可简化复杂的桁架结构并通过旋翼下压风场能减小雾滴飘移造成的二次污染,具有较好的应用前景。传统的收放方式难以收放旋翼悬浮式喷杆,为此提出了一种以正四边形滚筒为主体的喷杆自动收放装置,建立了喷杆收放过程的D-H坐标系和正运动学模型,通过牛顿-欧拉法构建了动力学模型,并采用三次均匀B样条曲线轨迹规划获取了喷杆收放最优轨迹。以喷杆收放的运动时间、关节冲击和能量消耗为多目标函数,通过NSGA-Ⅱ算法求解Pareto解集,选取解集中喷杆展开时间为56、61、66、71、76、81 s,喷杆收卷时间为54、59、64、69、74、79 s轨迹进行喷杆收放试验。试验结果表明：喷杆运动时间与喷杆角度标准差存在显著性关系,运动时间越短,喷杆稳定性越差、关节冲击越大、能量消耗越多。取喷杆收放时间59、61 s对应轨迹为喷杆收放最优轨迹时,滚筒转速与规划转速的平均跟踪误差不超过0.201(°)/s,关节3、4、5实际运动角度与规划角度的平均跟踪误差不超过6.201°,喷杆能较好地跟踪最优轨迹完成收放。该研究验证了喷杆自动收放装置的有效性和喷杆收放最优轨迹的准...     

植保无人机飞控系统与航线规划研究进展分析

应用无人机开展植保作业是有效防治病虫害的重要途径。本文对植保无人机行业发展和相关应用研究进行了综述,分别从植保无人机飞控系统、单机作业航线规划、多机作业调度场景及优化方法 3个角度进行了阐述,以增强植保无人机作业效果与提高作业效率为目标,分析了植保无人机飞行控制系统及航线规划与调度的研究现状。针对植保无人机因作业精度要求高而导致其飞控系统制造成本高的问题,提出应研发低成本、高精度、可适应植保无人机作业需求的测姿器件,开发相应的姿态估计算法;针对植保无人机航线规划、优化调度模型与实际作业需求不匹配的情况,总结了单机作业航线规划与多机调度优化场景、约束条件与优化方法。最后,提出应研发植保无人机自动补给平台,构建基于多机协同的作业管理与调度优化模型,以增强植保无人机在复杂作业环境中的作业效果,提高作业效率。     

基于神经网络PID的丘陵山地拖拉机姿态同步控制系统

针对现有丘陵山地拖拉机姿态调整精度和可靠性难以满足实际使用需求的问题,基于神经网络PID算法设计了丘陵山地拖拉机车身和机具姿态同步控制系统。根据车身和机具不同的姿态调整要求,设计了相应的控制系统,并对其进行动力学建模,进而采用了基于神经网络PID的同步控制算法。以常规的PID控制算法作为对照,进行了仿真分析,仿真结果表明,基于神经网络PID算法的同步控制系统有效,且控制性能优于PID控制算法。在固定坡度路面和随机坡度路面上进行了作业试验,结果表明,其于神经网络PID控制算法的精度和稳定性均优于PID控制算法：在固定坡度路面上,车身横向倾角最大误差为0.8640°,左右摆角绝对值差最大误差为0.9600°,机具横向倾角最大误差为0.6497°;在随机坡度路面上,车身横向倾角最大误差为2.8740°,左右摆角绝对值最大误差为4.2800°,机具横向倾角最大误差为1.7620°。说明本文提出的方法具有较好的控制精度和稳定性,能够满足丘陵山地拖拉机的实际使用需求。     

基于改进型自抗扰控制的复合翼无人机旋翼控制系统设计与试验

针对多旋翼无人机在飞行过程中容易受到各种外部扰动的影响,以复合翼无人机的旋翼控制系统为研究对象,设计了一种自抗扰控制系统。首先,建立了多旋翼无人机系统运动学模型和动力学模型;其次,对自抗扰控制算法的特点展开研究,结合无人机模型分别设计了位置和姿态控制器。并改进了扩张状态观测器,引入了更精确的动力学模型,提升了扰动观测速度和估计精度,同时,降低了扩张状态观测器的阶数,提升了控制器调参简易性;再次,依据六自由度力和力矩的平衡方程,对本文研究对象搭建了控制分配模型。最终,采用Matlab/Simulink完成仿真模型设计和参数调节,对控制目标分别加入了内部重力扰动和外部风力扰动,仿真结果表明本文设计的控制器不仅可以很好地估计出系统内外扰动并进行补偿,而且具有极强的抗干扰性,可以保证无人机从初始点快速且平稳到达目标位置,并保持稳定悬停,姿态控制稳态误差在0.05°以内。