小型四旋翼無人機研究進展及關鍵技術淺析


       隨著嵌入式處理器、微傳感器技術和控製理論的發展和成熟,微小型四旋翼無人機逐步向高效、多功能化方向發展,並廣泛應用於軍事、民用、以及科學研究等多個領域.首先,從原型研發、平台集成和商業化應用3個方麵介紹了目前國內外在該領域最新的研究情況.結合四旋翼無人機的特點,著重分析了微型機電係統、空氣動力學設計、非線性係統建模以及飛行控製等關鍵技術.最後,在國內外研究進展和關鍵技術分析的基礎上,指出了未來四旋翼無人機技術發展趨勢。

       為了補償多旋翼無人機機載雲台的擾動,實現機載雲台的穩定跟蹤控製,提出基於改進擾動觀測器的模糊自適應跟蹤控製方法.在原有擾動觀測器結構的反饋回路中引入一個補償控製,構建基於速度信號的改進型擾動觀測器結構,分析該結構的補償擾動能力和魯棒性;利用模糊係統的逼近性質和李雅普諾夫穩定性原理,設計相應的模糊自適應跟蹤控製結構,證明了該控製結構的穩定性.飛行實驗表明,應用該控製方法後,視軸穩定誤差的均方值小於0.02°,跟蹤給定位置信號的跟蹤誤差小於0.08°,完全能夠滿足多旋翼無人機機載雲台的穩定跟蹤控製.引入補償控製後的擾動觀測器補償擾動能力明顯提高,提出的控製方法具有較高的穩定跟蹤精度。

       四旋翼無人機魯棒自適應飛行問題,提出了一種基於指數收斂的控製方法.考慮到四旋翼係統的欠驅動、強耦合等非線性特性,采用線性化反饋控製策略實現對其軌跡追蹤飛行能力的基本控製;針對線性化反饋控製易受係統內外部未知幹擾等影響,采用基於指數收斂幹擾觀測器組合控製設計,實現四旋翼飛行的魯棒與自適應控製;線性反饋及狀態觀測器控製係統基於指數收斂穩定.進行了仿真分析,結果表明,幹擾觀測器對四旋翼係統中存在的未知幹擾具有很好的估計能力,所設計的基於指數收斂控製係統,結構簡單,且具有較強的幹擾抑製能力和較高的係統穩定性,滿足四旋翼無人機的魯棒及自適應飛行能力要求。

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