基于UKF信息融合的多旋翼飞行器姿态估计

姿态估计是多旋翼飞行控制的基础,为实现多旋翼三轴姿态估计,构建了基于MEMS陀螺、加速度计和磁力计的低成本姿态测量系统.该系统采用STM32F103作为控制器,集成加速度计和陀螺仪MPU6050,磁强计HMC5883作为测量传感器.针对多旋翼飞行器单一传感器无法准确测量姿态信息的问题,提出了基于无迹卡尔曼滤波信息融合的姿态估计算法.以陀螺仪为状态矢量,加速度计和磁强计解算的姿态角为观测矢量,无迹卡尔曼滤波器将陀螺的良好动态性能与加速度计、磁强计的良好静态性能结合起来,提高姿态测量精度,具有良好的动态跟踪性能.通过飞行测试,与高性能成品飞行器的姿态信息做对比,验证和分析该低成本姿态测量系统的有效性.实验结果表明,基于无迹卡尔曼滤波的姿态测量系统实现了动态环境下低成本多旋翼的精密姿态测量,为无人机自主飞行控制奠定了基础.     

微小型无人机航向姿态解算研究

在低成本硬件的约束下,微小型四旋翼无人机在完成翻滚、竞速、旋转等复杂的大幅度机动动作的同时,还必须保证机体航向角的稳定性,这对四旋翼无人机航向姿态解算提出了较高的要求.传统的航向角计算方法由于存在收敛速度过慢,误差较大等问题,导致机体缓慢自旋,影响飞行航向稳定性.故设计了基于优化的HMC5883L和MPU6050融合航向姿态解算新方法,将该算法与陀螺仪积分方法或HMC5883L直接解算方法进行实验对比,实验表明:采用该算法不仅保证了航向角的输出精度也提高了其收敛速度,从而保证了无人机航向的稳定.     

基于MSP 430姿态测量系统的设计与实现

针对原有姿态测量系统陀螺仪存在累计漂移误差及加速度计容易受干扰的问题,本文设计并实现了一种应用于小型回旋翼飞行器的低成本测量系统,其基于梯度下降法融合系统中陀螺仪和加速度计的输出数据,补偿了四元数更新方程.同时,基于MSP 430实现了该姿态测量系统,实验结果表明梯度下降法能有效完成数据融合,提高姿态测量精度.     

小型四旋翼无人机飞行控制系统设计与实现

为进一步深入研究和开发小型四旋翼无人机搭建飞行控制实验系统,从硬件设计、软件开发和系统调试与飞行试验3个方面对搭建的小型四旋翼无人机飞行控制系统进行较为详细地阐述。飞行试验表明:所设计的飞行控制系统初步实现了对机体姿态的有效控制,为进一步研究自主飞行奠定了基础。     

基于EKF的地磁/陀螺信息融合姿态测量算法研究

针对智能弹药机动飞行中仅利用地磁信息制导时无法实现全姿态角解算的问题,提出一种采用三轴陀螺仪角速率信息辅助三轴磁传感器信息进行弹体姿态角解算的EKF融合算法。算法利用磁传感器测量模型和四元数微分方程建立观测方程和状态方程,并分别对非线性的系统进行线性化得到卡尔曼滤波方程。通过在高速飞行仿真转台上进行半物理仿真试验,最终全姿态角的解算实现对地磁/陀螺信息的融合。经过对仿真信号的处理,在弹体俯仰角±30°变化的情况下,该EKF融合算法解算滚转角和俯仰角比传统单纯依靠地磁信息进行滚转角和俯仰角解算的精度提高近一个数量级,并且解算偏航角误差在1°以内。     

基于插补导航的全自主旋翼机设计与控制

为了解决传统旋翼无人机因手动遥操作而导致飞行不稳定的问题,研究了基于插补导航的全自主旋翼机的设计与控制方法。首先,根据导航系统和地面站,获得当前无人机与目标点之间的位置姿态关系;然后基于插补控制算法,利用机载控制器输出相应的能够控制无人机稳定飞行的脉冲宽度信号,实现脱离手动遥操作的四旋翼无人机全自主飞行控制。最后,通过全自主插补导航飞行仿真与实验,验证了该全自主无人机设计的可行性。结果表明,该全自主控制架构能够有效地模拟遥操作信号,实现无人机的全自主飞行控制,且具有更高的稳定性。     

基于滑模控制的四旋翼无人机姿态跟踪研究

由于应用广泛,四旋翼无人机近年来得到了众多科研人员的关注。本文首先利用Newton-Euler法建立了四旋翼无人机六自由度运动学和动力学模型,并在此基础上设计了基于反步法、滑模控制和动态面理论的姿态跟踪控制器:实际姿态与期望姿态间误差作为控制器输出,无人机所受合力与各方向力矩作为控制器输出。最后,通过Matlab对无人机控制系统进行数值仿真,仿真结果表明了所设计姿态控制器的可行性和有效性。     

四旋翼无人机建模与PID控制器设计

文中通过对四旋翼无人机的机体结构和飞行原理的认识,运用牛顿——欧拉法对四旋翼无人机进行动力学受力分析,在小角度转动下,建立了该无人机的数学模型。运用PID对其进行控制,通过无人机的数学模型,设计了双环PID控制器(内环姿态控制与外环位置控制),通过MATLAB仿真验证其有效性。     

基于MEMS传感器的高精度姿态角测量研究

针对传统姿态参考系统姿态解算容易受到载体运动加速度的干扰,导致系统精度变低、稳定性变差等问题,提出一种改进的卡尔曼滤波算法。该算法建立基于四元数的惯性系统姿态解算数学模型,并根据载体运动加速度的大小,适时调整卡尔曼滤波器的量测噪声方差的大小,以此减弱卡尔曼滤波过程中运动加速度对姿态角解算精度的影响。采用MEMS三轴陀螺仪、加速度计和磁阻传感器完成载体在电梯升降过程中的测量,对实验测量数据进行姿态解算,结果表明改进后的卡尔曼滤波算法能够有效减小运动加速度对姿态解算的影响,姿态角的均方根误差相对于传统的姿态参考系统降低约40%。     

基于磁强计和加速度计的小型飞行体姿态测试仿真研究

介绍了一种基于三轴磁强计、三轴加速度计和一个偏心加速度计的组合测试系统.三轴磁强计测量地磁场矢量在飞行体坐标系上的分量,三轴加速度计给出飞行体质心的运动轨迹,通过对这两组测量信息进行信息融合进行姿态解算,给出了飞行体的飞行姿态.运用MATLAB的SIMULINK工具箱建立起了飞行体姿态仿真模型,并给出一定条件下的仿真结果.     

Design of X-type unmanned quadrotor based on STM32北大核心CSCD

For the flight attitude control of unmanned quadrotor, there still exist some issues on accurate measurement, calculation and output. To acquire a stable flight attitude control, an X-type unmanned quadrotor was designed based on STM32 microprocessor. Dual processors, dual gyroscopes and dual accelerometers were integrated into the hardware architecture. Real time flight attitude information was collected. Quaternion complementary filter algorithm and cascade PID control algorithm were adopted in attitude calculation and output. The experiment results showed that the structure of dual gyroscopes and dual accelerometers had higher measurement accuracy under little angle disturbance, and the attitude angle got a smaller output error with appropriate parameter settings of cascade PID. The results demonstrate that dual sensors can perform stronger noise immunity in attitude measurement, and the designed X-type unmanned quadrotor has good flying performance and can achieve the purpose of flight attitude stability control, which provides guidance for further study on flight control system.     

基于自适应模糊PID控制的四旋翼飞行器的自主跟踪

为了提高四旋翼飞行器控制系统的动态性能和工作效率,研究了自适应模糊PID控制。目前在实际应用中,四旋翼的控制算法主要采用经典PID算法和模糊控制算法,然而经典PID算法,系统容易超调,动态性能较差;模糊控制算法,系统的稳态误差难以消除,工作效率不高。为此采用了经典PID与模糊控制的分段策略,提出了一种新的控制算法:当误差较大时,为提高系统的动态性能,控制器选取模糊控制算法;当误差较小时,为减小稳态误差,提高工作效率,选取经典PID算法。完成了悬停飞行实验,对自适应模糊PID、模糊控制和经典PID三种控制算法进行性能对比,结果表明自适应模糊PID算法能有效解决上述问题。采用自适应模糊PID算法完成了自主跟踪实验,将该算法成功应用到导航制导领域。     

An SoPC-based object tracking quadrotor

In this paper, a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) is designed and implemented, and the whole control system is realized on an SoPC platform. The dynamic mathematical model of a quadrotor is derived using Euler–Lagrange equations. A simulation is conducted by applying PID controllers to control the derived model to verify that the PID method is able to stabilize a quadrotor. The aircraft is stabilized according to the sensory data from a tri-axis gyroscope and a tri-axis accelerometer providing angular rates and Euler angles, respectively, for the control system. In addition, a CMOS camera and an ultrasonic sensor mounted on the bottom of the aircraft enable the aircraft with functions of detecting and tracking a moving object, while the aircraft is flying. The resulting system can stably fly in indoor environments and track a specific object, satisfying the design and implementation purpose.     

离心-温度复合试验箱温度精密控制方法

研究用于加速度计计量校准的离心-温度复合试验箱地面温度控制方法。首先提出实现试验箱高低温环境的温控系统设计方案,进而针对气体温度大惯性、大延迟的特点,提出将预测PI控制方法和串级控制相结合的新型预测PI-PID串级控制技术应用于离心-温度复合试验箱的温度控制,它既克服了单纯PID鲁棒性差的特点,又克服单纯预测PI控制由于单层结构而抗二次干扰差的问题,两者的结合提高了系统控制性能,克服了纯滞后对系统的不良影响。仿真结果表明:预测PI-PID串级控制系统具有较好的鲁棒性及良好的调节性能,其总体性能优于单纯PID控制和传统PID-PI串级控制系统。     

基于动态输出反馈的半车主动悬架系统鲁棒控制

研究了半车主动悬架系统基于输出反馈的干扰抑制鲁棒控制问题。首先建立了半车主动悬架系统的动力学模型,然后针对车体位置和速度、车身俯仰角度和角速度、前后车轮位置和速度无传感器测量情况下,系统中还存在非线性和外界扰动的现象,提出了一种动态输出反馈鲁棒干扰抑制控制策略。理论推导和仿真结果都证明了所设计控制器的正确性和有效性,通过和传统的PID控制算法相对比,进一步说明所设计的控制器能提高汽车的行驶平顺性和操作稳定性。     

基于扰动抑制的差分进化算法的纸浆浓度控制系统

目的为了解决传统单PID控制优化算法仅关注跟踪性能,无法满足在纸浆浓度控制系统等工业生产环节中控制品质和成品良率的需求。方法将PID控制系统离散化以计算在高斯扰动下的输出方差作为扰动抑制的依据,并结合ITAE指标通过差分进化算法优化PID性能。结果仿真表明,该整定方法可以通过权值选取优化的偏好,自由调节PID控制器的性能表现,对比基于Z-N法的PID控制和基于PSO算法优化的PID控制,基于扰动抑制差分进化算法的PID控制的ITAE指标为14.3495,输出方差为31.8530,均优于其他2种算法。结论基于扰动抑制的差分进化算法可以通过用户自定义权重来协调纸浆浓度的输出方差和跟踪性能,从更实际的角度整定纸浆浓度控制系统的PID控制器参数,使得控制系统的性能指标满足工业生产要求。     

Sliding-Mode PID Control of UAV Based on Particle Swarm Parameter Tuning

Due to the coupled motion between the rotor unmanned aerial vehicle (UAV) and the manipulator, the underactuation characteristics of the system itself, and the influence of external uncertainties, the stability of the rotor UAV’s manipulator control system is difficult to control. Based on the dynamic model of the rotor UAV, the stability of the whole UAV manipulator control system is improved by using the piecewise cost function, the compression factor particle swarm optimization (PSO) algorithm and the sliding mode PID to establish the sliding mode PID control stability method based on the PSO. Compared with the sliding mode PID control method, this method solves the serious buffeting problem in the sliding mode control, reduces the influence of the external disturbance and realizes the attitude stabilization control of the UAV manipulator quickly and accurately, thus shortens the system adjustment time and improves the anti-interference ability.     

枕式包装机包装材料供送速度控制

目的 为了提高包装袋的袋长精度,提升包装袋体外观质量。方法 提出一种基于神经网络PID自适应的三伺服枕式包装机包装材料速度控制方法,将传统的PID控制方法同神经网络控制相结合,设计一个神经网络PID控制器,包括控制器结构和学习算法,可用于解决相关非线性问题。结果 仿真和实验结果表明,采用神经网络PID控制方法,包装材料速度达到稳态时,所用时间约为2 s,最大超调量不超过2%,包装袋长误差能够有效控制在±1 mm以内。结论 所设计的控制方法与传统的PID控制相比,具有响应速度快、抗干扰能力强、控制输出稳定等优点,能够显著提高包装袋长精度。     

多体组合式无人机飞行力学稳定性分析及增稳控制研究

多体组合式无人机是一种新概念飞行器,由多个小型无人机以翼尖铰接连接组成,该概念飞行器能够融合小型无人机与高空长航时无人机两类飞行平台的性能和任务优势,发展潜力巨大。基于Newton-Euler方程及升力线方法建立多体组合式无人机飞行力学模型,针对允许相对滚转运动自由度的双机组合式无人机系统进行配平及稳定性分析。结果表明,不同于传统构型飞行器,多体组合式无人机系统具有不稳定复合运动飞行模态,该复合模态由相对滚转运动主导,在无控状态下该构型飞行器无法稳定飞行。在完成动力学建模的基础上,基于PID控制方法,为每个单体飞行器单独设计增稳控制回路以达到增稳控制目的,仿真结果表明该控制思路有效,可以快速镇定发散的飞行力学系统。