基于四旋翼无人机姿态算法及编队技术研究

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1、学号：S15040430基于四旋翼无人机姿态硕士学位(毕业)论文算法及编队技术研究基于四旋翼无人机姿态算法及编队技术研究研究生姓名：刘伯伟姓名学科、专业：电子科学与技术刘伯伟二○一八年四月分类号：TN219密级：可公开UDC：编号：基于四旋翼无人机姿态算法及编队技术研究StudyOnAttitudeAlgorithmAndFormationTechnologyForFourRotorUAV学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：电子科学与技术（080900）研究方向：信息处理申请学位级别：硕士指导教师：宋路教授研究生：刘伯伟论文起止时间：20

2、16.9—2018.4摘要随着社会的快速发展，四旋翼无人机凭借自身的优势，越来越受到消费者们的喜爱，在未来具有广阔的应用前景。由于单架四旋翼无人机完成任务的局限性，多架四旋翼无人机协同编队控制技术备受各界关注，成为当前研究的热点课题。本论文在研究四旋翼无人机姿态解算基础上，研究多架四旋翼无人机协同编队控制技术。主要研究内容如下：首先，选用合适的坐标系，根据四旋翼无人机的结构和受力，建立单架四旋翼无人机的质心模型和角运动模型。然后，运用搭建的四旋翼无人机动力模型，解算姿态角。由于IMU单元采集的姿态数据在四旋翼无人机静止时存在零漂，同时四旋翼无人机在飞行时也会由于电机的

3、振动引入振动噪声，因此本论文分别采用EKF结合四元数、互补滤波器和自适应互补滤波器结合四元数解算出四旋翼无人机的姿态角。根据四旋翼无人机飞行试验结果，最终采用自适应互补滤波器结合四元数解算出四旋翼无人机的姿态角。再次，根据解算的姿态角，研究单架四旋翼无人机的飞行控制算法，分别将经典PID、自适应积分分离PID、串级PID以及模糊PID应用到四旋翼无人机控制系统。根据四旋翼无人机编队控制系统的特点，提出自适应模糊PID控制器。该控制算法采用分段式控制，当四旋翼无人机姿态期望值与实际值差值大于设定的阈值时，采用模糊PID控制器对四旋翼无人机进行控制，提高整套控制系统的响应

4、速度；当四旋翼无人机的姿态期望值与实际值相差小于设定的阈值时，为了减少系统的稳态误差，提高系统的工作效率，此时将采用积分分离PID控制器。最后，为了实现多架四旋翼无人机的协同控制，求解出多架四旋翼无人机在编队飞行过程中，相邻四旋翼无人机与当前四旋翼无人机相对速度和相对位置坐标的联系，建立多架四旋翼无人机协同控制模型。本论文提出采用线段和超椭圆联立的方法，得到多四旋翼无人机编队的队形约束，通过改变线段和超椭圆的参数，描述不同的编队队形，实现多架四旋翼无人机的队形变换。通过采集相邻四旋翼无人机和整个编队控制系统的位置误差，实现串级PID控制。通过Matlab仿真和实物协同

5、飞行实验，证明这种编队控制方法的正确性。关键词：四旋翼；自适应；姿态解算；编队控制；位置误差ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofsociety,thefourrotorUAVhasattractedmoreandmorecustomers'attentionbecauseofitsadvantages,soitwillhavebroadapplicationprospectsinthefuture.DuetothelimitationofsinglefourrotorUAV,thecooperativeformationcontrolte

6、chnologyofmultifourrotorUAVhasattractedattentionfromallwalksoflife,andithasbecomeahottopicincurrentresearch.BasedonthestudyoftheattitudecalculationoffourrotorUAV,thecooperativeformationcontroltechnologyofmultifourrotorUAVisstudiedinthispaper.Themaincontentsareasfollows:Firstly,theapprop

7、riatecoordinatesystemwasusedtoestablishthecentroidmodelandangularmotionmodelofasinglefour-rotorUAVbasedonthestructureandforceofthefourrotorUAV.Then,usingthedynamicmodeloffourrotorUAVtocalculatetheattitudeangle.BecausetheattitudedatacollectedbytheIMUunitwillbezerodriftwhenthefou