摘要
四旋翼无人机机动性强，体积小、易操作、价格低等优点，在农业、电网、地质勘探和交通等领域广泛应用。在系统方面，四旋翼无人机具有强耦合性、非线性、多输入多输出、易干扰和欠驱动。因此控制器设计较困难，还需考虑外围扰动对四旋翼无人机的干扰。本文以提高四旋翼无人机抗扰性为目的，根据多传感器融合和改进型的自抗扰控制器，在紊流风场条件下，研究四旋翼无人机悬停抗扰控制技术。 首先，建立紊流风场和四旋翼无人机模型，分析在风场下四旋翼无人机的稳定性并提出抗扰动解决方案。建立基于Dryden的紊流风场模型，仿真得到三个自由度的风场模型。四旋翼无人机的数学模型基于机体和地面坐标系下建立，对比姿态的三种表达方式：欧拉角、旋转矩阵和四元数，本文选择四元数作为姿态解算方式。阐述四旋翼无人机四种飞行模态原理，根据刚体力学建立了四旋翼无人机的动力学模型。最后，根据前面建立的模型进行转速分配和设计姿态环与位置环的控制方案。 其次，设计多传感器信息融合方案。针对不同的传感器，从噪声特性，误差来源和功能特性三个方向进行分析。在得到不同的传感器的测量数据后，基于Kalman滤波器以及Mahony互补滤波理论，设计了多传感器融合框架，分别对高度方向和水平方向的位置和速度信息的融合估计做了研究。垂直位置信息融合采用混合式信息融合系统，多级分层；水平位置信息融合基于混合式融合系统，节点处和处理中心分别计算数据。然后，控制策略方面，行为控制采用自抗扰控制算法进行姿态控制，位置控制采用串行PID控制进行位置控制。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，进行仿真实验，分析四旋翼无人机姿态角变化曲线，得出自抗扰控制的抗干扰能力和鲁棒性好。 最后，搭建四旋翼无人机硬件平台和软件实验系统，在室内室外两种场景下进行抗风扰动测试；多传感器融合在信息层面上加强悬停稳定性，ADRC控制在控制层面上增强抗风扰动性能。对比经典串行PID控制，本文提出的算法，在超调量和稳定性方面有较大的提升，但参数整定方面较为复杂。总体来说，本文设计的系统对扰动抑制力较强，说明设计抗扰系统比较成功。
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