摘要
农用无人机在室外进行植保作业过程中，其飞行姿态容易受到外界风场的干扰，进而导致位置发生偏移。而飞行位置的偏移会降低农药的喷洒效果，造成农药浪费、环境污染和农产品质量安全等问题。针对该问题，本文对农用四旋翼无人机的姿态控制技术进行了深入研究，主要研究工作包含以下几个方面： 1、对风场环境下的四旋翼无人机动力学建模进行研究。考虑到外界风场干扰，基于风切变、阵风以及Dryden紊流建立了自然风场模型，并利用牛顿第二定律与欧拉方程详细推导了带有风场扰动的四旋翼无人机非线性动力学模型。 2、对基于互补滤波与扩展卡尔曼滤波（EKF）的姿态解算算法进行研究。分析了陀螺仪、加速度计以及磁力计的测量原理，为了提高农用四旋翼无人机的姿态解算精度，分别设计基于互补滤波和基于EKF的姿态解算算法。并通过搭建的四旋翼样机进行实验。实验结果表明，相比互补滤波算法，EKF算法能够进一步提高姿态解算的精度，并对运动加速度和由机体振动所带来的高频噪声干扰有着更好的抑制效果。 3、对基于PID与滑模控制（SMC）的姿态控制算法进行研究。在对四旋翼无人机飞行控制系统结构分析的基础上，针对位置环，设计基于PID的位置控制器；针对姿态环，分别设计基于PID和SMC的姿态控制器，并利用搭建的四旋翼无人机飞行控制仿真系统进行了仿真实验。仿真结果表明，在存在外界风场干扰的情况下，相比PID姿态控制器，SMC姿态控制器具有更强的鲁棒性和更快的响应速度，但是姿态控制输入存在较为严重的抖振。 4、针对SMC姿态控制输入出现的抖振问题，提出一种基于模糊控制的改进型滑模（FSMC）姿态控制算法，并进行了仿真实验。仿真结果表明，FSMC姿态控制器对系统抖振有着良好的抑制效果，且进一步提高了无人机的抗风干扰能力，系统具有更强的鲁棒性。
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