变翼四轴飞行器飞控系统及姿态研究

2万 · 2019-5-28 11:40

我国在四轴飞行器领域发展较晚，但也取得了较大的成果。军用四轴飞行器方面的主
要代表有航天三院、航天九院、西北工业大学以及北京航空航天大学等。北京航
空航天大学研究了MGNC一3和IFLY40这两款具有较高水平的四轴飞行器自动驾驶仪。
自动驾驶仪性能得到大幅提升主要来自传感器的精度提高、控制算法和技术
的不断优化。其中P>D控制算法由于其完善的控制理论体系、稳定强、实用性高
被广泛的应用。当然其他飞控算法也被运用于飞控系统之中。

2万 · 2019-5-28 11:40

(一)最优控制
美国军用机F-8C战斗机是最早使用最优控制设计方法，其控制系统纵向以
及横向控制律都使用显模型跟踪最优二次型方法。其还在美国的其他军用机型，
如F-16和X-29等飞控系统中获得了成功的应用。我国是从1980年始，在一些
高校以及研究所中对飞控系统中使用最优控制理论展开研究，并获得了一些经验。

2万 · 2019-5-28 11:40

(二)自适应控制
美国早己将自适应控制使用于一些拥有重构功能的飞控系统中，且通过与智
能控制相结合，使用于非线性控制系统的研究中。针对小型四轴飞行器处于低空和低
速以及大扰动条件的环境下，其姿态和位置会受到影响。王洋等研究人员设计了
自适应P}控制器有效的解决了相应的问题，并具有很好的动态性能指标。而对
于飞机俯仰角姿态控制会遇到控制舵面故障和非线性干扰等问题，吴文海等研究
人员通过基于L1自适应方法设了低通滤波器。使得飞行控制系统能够满足相应
的要求且具有高鲁棒性。

2万 · 2019-5-28 11:40

(三)动态逆控制
动态逆控制在飞控系统中的研究和应用，获得了很大的进步。其中陈谋等研
究员将RBF神经网络应用于新一代的歼击机中，设计出了动态逆飞行控制系统，
能够使动态逆误差对飞控系统的影响得到有效的抑制。郑积仕等研究员使用非线
J胜动态逆的速度控制方法使得小型四轴飞行器的速度控制问题得到了有效的解决。

2万 · 2019-5-28 11:41

(四)神经网络控制
如今，神经网络控制被广泛的应用于飞控系统的设计之中。将基于神经网络
的模型参考自适应控制相结合。其特点是对于逆误差的影响使用在线神经网络自
适应补偿。张敏和胡寿松通过采用神经网络与H}鲁棒跟踪器相结合的方法，使
得系统具有高动态性能，对于外部干扰因素也具有抑制作用，具有很好的控制效
果。通过将神经网络与传统的PID控制方法相结合，其主要核心思想是通过神经
网络对控制信号不断的离线学习进行预估，得到最佳的PID参数，接着对神经元
的加权系数不断的调整来适应控制对象的变化。

2万 · 2019-5-28 11:41

可变形飞行器控制在可变形飞行器控制研究中发展较慢。理论上来说，可变
形飞行器也可以使用传统的固定翼飞行控制方法，但是可变形飞行器相对于传统
的飞行器具有不同结构以及飞行环境，且要得到最佳的控制方法是一项巨大的工
程。

2万 · 2019-5-28 11:41

同时，变形飞行器的控制问题也是一个较为重要的问题。虽然在固定翼飞机
上拥有可动舵面，可这些可动零件远远小于整机质量，其产生的惯性力一般都可
以忽略。但是，对于需要大尺度变化的可变形飞行器，其结构变化带来的惯性力
是不能被忽略的。针对可变形飞行器的控制主要由两种方法。其一是通过将可变
形飞行器的结构变形看作为惯性力或者是额外的气动力控制输入。可将其用于提
高机动能力等方面。滑块控制则是利用改变飞行器的质量分布来提供额外的控制
力矩，该方法也使用于导弹制导控制中。Allen. C. Hurst等对鸟类降落动作进行研
究，设计了可以改变机翼与机体夹角的可变形飞行器。J. J. Henry等为实现飞行器
的滚转控制对非对称翼展变形进行了研究。其二是为变形而变形，其主要目的是
给飞行器提供可估计以及较长时间的气动优势。其美国变后掠翼飞行器F-14等
基本采用这种方法。在飞行器低速时使用小后掠角以提供更好的升力，在夸音速
飞行时使用大后掠角，减少空气阻力。而这种方法很少考虑变形中气动力学对系
统的影响，将变形飞行器作为柔性飞行器或不同布局的固定翼飞行器处理。

2万 · 2019-5-28 11:42

本课题通过以STM32F407主控芯片为核心，从软硬件两个方面出发进行设
计，来对变翼四轴飞行器飞行控制系统进行研究。课题的工作主要是对飞行控制系统
进行硬件模块化设计、软件接口编程及捷联惯导系统测姿，其中重点对变翼无人
机姿态解算及相关数据融合算法进行研究，确保姿态信息精准、可靠。本课题主
要研究了以下几部分内容:
(1)经过对大量的国内外变翼四轴飞行器相关书籍、论文和产品发展现状进行研
究分析，了解变翼四轴飞行器飞控系统的特性以及系统组成，搭建了变翼四轴飞行器飞行
控制系统的主要硬件平台。
(2)为了通过惯性器件实现实时传输得到当前四轴飞行器的姿态信息，对变翼无
人机的飞行控制系统中的各个模块的软件流程进行了设计。
(3)为了使载体姿态信息更加精确和可靠，对载体姿态数据误差进行分析，
并建立相应的误差模型，利用卡尔曼滤波组合测姿数据融合算法对获得的姿态数
据进行优化处理，同时在MATLAB环境下进行仿真验证。
(4)最后将变翼四轴飞行器飞控系统用于模型机，检验飞控系统的性能。

2万 · 2019-5-28 11:42

第1章为绪论部分:本章首先通过对本课题变翼四轴飞行器相关背景以及意义进
行介绍，接着继续对变后掠翼四轴飞行器的概念进行阐述，最后对本课题所研究的内
容和结构安排进行说明。
第2章为捷联惯导技术与测姿原理部分:本章首先对捷联惯导系统常用坐标
系定义及坐标系转换关系进行介绍，然后对捷联惯导系统基本工作原理进行阐述，
接着对载体姿态所需解算算法进行研究对比，确定基于四元数结合龙格库塔法对
载体姿态进行解算，最后对四元数理论基础和四元数姿态解算方法进行介绍，并
简要对磁力计和加速度计测姿原理进行阐述。
第3章为卡尔曼滤波数据融合算法部分:**先对线性离散卡尔曼滤波的公
式推导、工作原理以及参数选择进行详细的介绍，叙述了如何使用卡尔曼滤波算
法实现三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计的信息进行数据融合得到最优姿
态估计值，接着提出改进的卡尔曼滤波数据融合算法。通过相应的研究分析得出
基于卡尔曼滤波算法对载体姿态信息进行滤波处理的方法。最后针对变翼四轴飞行器
的切换控制系统进行研究，并分析其稳定性
第4章为变后掠翼四轴飞行器飞控系统硬件设计部分:本章先对所选的控制对象
进行介绍，然后设计出相应的变后掠翼四轴飞行器飞控系统总框架，并根据研究对象
的特性选择适应的器件，选用高集成的MPU-60_50传感器器件，高精度的
MAG3110磁力计等。最后按照模块化的方法对变后掠翼四轴飞行器飞行控制系统进
行相关方案设计。
第_5章为变后掠翼四轴飞行器飞控系统软件设计部分:本章首先对变翼四轴飞行器飞
行控制系统软件开发环境进行确定以及对软件接口使用的IIC协议进行介绍，然
后对各个模块接口进行软件设计和调试。其中包括航姿测量模块、GPS导航模块、
执行机构系统部分等。

2万 · 2019-5-28 11:42

第6章为多传感器组合测姿实验仿真部分:本章开始对多传感器组合测姿中
的三轴飞行仿真平台进行介绍，然后对变翼四轴飞行器飞行控制系统的控制律进行设
计，接着对静态条件下对变后掠翼四轴飞行器的姿态信息进行采集，并针对多传感器
组合测姿中测量数据中的误差进行分析，建立了相应的误差模型，然后结合第3
章卡尔曼滤波对多传感器组合测姿得到的静态数据进行MATLAB仿真处理。通
过对多传感器组合测姿和基于卡尔曼滤波数据融合算法的多传感器组合测姿方
案进行对比，有效的证明了基于卡尔曼滤波处理之后得到的载体姿态信息更好。
第7章为总结与展望部分。本章开始对论文研究内容总结，对研究过程中存
在的关键性问题和难点进行阐述，同时对本课题研究需要改善的地方进行了展望。

2万 · 2019-5-28 11:43

捷联惯导系统的关键技术就是对载体姿态进行解算，而捷联惯导算法的主要
工作就是通过姿态矩阵能够获得载体姿态和导航参数计算所需要的数据。因此需
先对捷联惯导系统以及测姿原理有一定的了解。本章首先介绍捷联惯导系统中相
关坐标定义与转换关系，然后对其工作原理进行阐述，通过对欧拉角法、方向余
弦法、四元数法对载体姿态计算的优缺点进行分析，选取最优算法对载体姿态进
行解算，最后简要概括三轴磁力计和三轴加速度计的测姿原理。

2万 · 2019-5-28 11:44

捷联式惯性导航系统(c snVs)是在载体上固定惯性传感器(陀螺和加速度计)，
通过计算机建立虚拟导航平台(亦称为计算平台或数学平台)，利用坐标变换方
法将惯性敏感元件测量信号从载体坐标系转换为(虚拟导航)平台坐标系，并将
导航坐标系中的载体运动参数输出到外部以实现导航功能。在获取四轴飞行器所在
的位置和姿态等信息之前，需要先确立参考坐标系。由于事物运动状态是相对的
r2,，对于不断改变的导航坐标系，对测量数据需进行相应的坐标变化。本课题将
对s种常用坐标系进行介绍。

2万 · 2019-5-28 11:45

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变后掠翼四轴飞行器位置和姿态的变化可以利用坐标系之间的相对关系来进行
衡量。所以，将三轴陀螺仪和三轴加速度计的非正交坐标系与正交的平台坐标系
相联系，再进行相关处理。变后掠翼四轴飞行器惯性导航系统的坐标系之间的转换过
程可通过矢量变化来表示。

2万 · 2019-5-28 11:46

变翼四轴飞行器飞控系统及姿态研究

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伴坛终老