小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析


       随着嵌入式处理器、微传感器技术和控制理论的发展和成熟,微小型四旋翼无人机逐步向高效、多功能化方向发展,并广泛应用于军事、民用、以及科学研究等多个领域.首先,从原型研发、平台集成和商业化应用3个方面介绍了目前国内外在该领域最新的研究情况.结合四旋翼无人机的特点,着重分析了微型机电系统、空气动力学设计、非线性系统建模以及飞行控制等关键技术.最后,在国内外研究进展和关键技术分析的基础上,指出了未来四旋翼无人机技术发展趋势。

       为了补偿多旋翼无人机机载云台的扰动,实现机载云台的稳定跟踪控制,提出基于改进扰动观测器的模糊自适应跟踪控制方法.在原有扰动观测器结构的反馈回路中引入一个补偿控制,构建基于速度信号的改进型扰动观测器结构,分析该结构的补偿扰动能力和鲁棒性;利用模糊系统的逼近性质和李雅普诺夫稳定性原理,设计相应的模糊自适应跟踪控制结构,证明了该控制结构的稳定性.飞行实验表明,应用该控制方法后,视轴稳定误差的均方值小于0.02°,跟踪给定位置信号的跟踪误差小于0.08°,完全能够满足多旋翼无人机机载云台的稳定跟踪控制.引入补偿控制后的扰动观测器补偿扰动能力明显提高,提出的控制方法具有较高的稳定跟踪精度。

       四旋翼无人机鲁棒自适应飞行问题,提出了一种基于指数收敛的控制方法.考虑到四旋翼系统的欠驱动、强耦合等非线性特性,采用线性化反馈控制策略实现对其轨迹追踪飞行能力的基本控制;针对线性化反馈控制易受系统内外部未知干扰等影响,采用基于指数收敛干扰观测器组合控制设计,实现四旋翼飞行的鲁棒与自适应控制;线性反馈及状态观测器控制系统基于指数收敛稳定.进行了仿真分析,结果表明,干扰观测器对四旋翼系统中存在的未知干扰具有很好的估计能力,所设计的基于指数收敛控制系统,结构简单,且具有较强的干扰抑制能力和较高的系统稳定性,满足四旋翼无人机的鲁棒及自适应飞行能力要求。

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