无人机三轴稳定云台智能控制算法的研究

学校编码10390分类号TP391学号2010539007密级硕士学位论文无人机三轴稳定云台智能控制算法的研究指导教师：陈水利教授作者姓名：郭炳坤申请学位级别：硕士专业名称：应用数学论文提交日期：2013年4月15日论文答辩日期：2013年6月8日学位授予单位：集美大学学位授予日期：2013年6月21日答辩委员会主席：李军教授论文评阅人：周武能教授裴道武教授吴云东教授硕士学位论文无人机三轴稳定云台智能控制算法的研究ResearchonIntelligentControlAlgorithmforUAVThree-axisSelf-stablePan-tilt学科门类：理学作者姓名：郭炳坤指导教师：陈水利教授专业名称：应用数学学位授予单位：集美大学论文答辩日期：2013年6月8日I集美大学硕士学位论文无人机三轴稳定云台智能控制算法的研究郭炳坤3cm左右集美大学硕士学位论文无人机三轴稳定云台智能控制算法的研究郭炳坤3cm左右学术诚信声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。声明人（签名）：时间：保护知识产权声明本人完全了解集美大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意集美大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。作者（签名）：导师（签名）：时间：I无人机三轴稳定云台智能控制算法的研究摘要无人机（UAV）低空遥感技术是当今国内外热点研究课题之一，而稳定云台是其中必不可少的组成部分。高精度的稳定云台能够有效隔离载体的扰动，保持机载相机视轴的稳定，在获取高质量的低空遥感影像上发挥着重要作用。云台技术还广泛应用在目标探测系统、导弹与动能武器的精确导引系统、无人机（舰载机）的自主着陆（着舰）控制系统等。因此，发展高精度的云台技术，对我国经济建设与国防建设具有重要意义。本文针对无人机三轴稳定云台控制问题，开展如下研究工作：(1)针对小型低空无人机遥感系统，建立了三轴稳定云台的数学模型。以无人机三轴稳定云台为研究对象，对其结构进行了详细地分析，建立了地面、载体、视线和各框架转动系统的坐标系，依据牛顿力学原理建立了云台数学模型，分析了三轴稳定云台的各种扰动因素，为后续的精确控制奠定基础。并用经典PID对其进行仿真控制。(2)针对经典PID结构简单，不能满足复杂系统控制精度要求等问题，提出了PSO优化的三轴稳定云台模糊PID控制系统。该系统适应性强、响应速度快且具有全局优化功能等特点。仿真结果表明，该系统稳态精度比经典PID系统有显著提高，而且系统无超调，调节时间短，能够根据实时变化来调整参数，对三轴稳定云台具有良好的控制效果。(3)针对三轴稳定云台复杂的干扰因素，提出了基于自适应Kalman滤波的模糊PID控制算法。在系统中引入了自适应Kalman滤波技术，采取极大后验（MAP）噪声估计器Sage-Husa来估计干扰噪声的均值和方差。仿真实验表明，基于自适应Kalman滤波的模糊PID控制算法可以有效抑制系统的控制噪声和测量噪声，提高了系统性能，有效地减少了系统误差。关键词三轴稳定云台，PID控制系统，模糊控制系统，粒子群优化算法，Kalman滤波器IIResearchonIntelligentControlAlgorithmforUAVThree-axisSelf-stablePan-tiltAbstractThetechnologyofUnmannedAerialVehicle(UAV)lowaltituderemotesensingisoneofcurrenthotresearchtopicsathomeandabroad,andself-stablePan-tiltisanindispensablecomponent.Thehighprecisionself-stablePan-tiltcaneffectivelyisolatecarrier’sdisturbance,andkeeptheairbornecameravisualaxissteady.Itplaysanimportantroleinobtaininghighqualitylowaltituderemotesensingimage.Pan-tilttechnologyisalsowidelyusedintargetdetectionsystem,missileandthekineticenergyweaponsprecisionguidingsystems,autonomouslandingcontrolsystemofunmannedaerialvehicleorshipboardaircraft,etc.TheDevelopmentofhigh-precisionPan-tilttechnologyisgreatsignificancetooureconomicandnationaldefenseconstruction.AboutUAVthreeaxisself-stablePan-tilt,thispapercarriedoutthefollowingresearch:(1)Forsmalllow-altitudeUAVremotesensingsystem,themathematicalmodelofthreeaxisself-stablePan-tiltisestablished.Puttingthree-axisself-stablePan-tiltastheresearchobject,analyzeditsstructureindetail,builtupthecoordinatesystemofground,thecarrier,thesightandeachframerotationsystem,andestablisheditsmathematicalmodelaccordingtotheNewtonianmechanicsprinciple,analyzeditsvariousdisturbancefactors.Theseestablishedafoundationforsubsequentprecisecontrol.AndtheclassicalPIDwasusedtosimulatesystem.(2)AsclassicalPIDcontroller’sstructureissimple,cannotmeetthedemandsoftheprecisionofthecomplexcontrolsystem,thePSOfuzzyPIDcontrolsystemisproposed.Ithasstrongadaptability,fastresponseandglobaloptimizationability.ThesimulationresultsshowthatthesystemhasahighersteadyprecisionthanclassicPID,andthesystemhasnoovershootandadjustmenttimeisshort.Itcanadjusttheparametersaccordingtothereal-timesituation.Ithasagoodeffecttothethreeaxisself-stablePan-tilt.(3)Inviewofthecomplexinterferencefactorsofthreeaxisself-stablePan-tilt,thefuzzyPIDcontrolalgorithmbasedonself-adaptiveKalmanfilterisproposed.Theself-adaptiveKalmanfiltertechnologyisintroducedintothesystem,takingthemaximumaposteriori(MAP)noiseestimatorSage-Husatoestimatethemeanandvarianceoftheinterferencenoise.Thesimulationexperimentsshowthatthenewalgorithmcaneffectivelyrestraincontrolnoiseandmeasurementnoiseofsystem.Itimprovesthesystem’sperformance,effectivelyreducesthesystem’serror.Keyword:Three-axisself-stablePan-tilt,PIDcontrolsystem,Fuzzycontrolsystem,ParticleSwarmOptimizationAlgorithm,KalmanFilterIII目录第1章绪论..............................................................................................................................11.1研究的背景和意义..........................................................................................................11.2国内外研究现状.............................................................................................................21.2.1国外研究现状...........................................................................................................21.2.2国内研究现状...........................................................................................................21.3稳定云台控制研究概述..................................................................................................31.4论文研究内容..................................................................................................................5第2章三轴云台数学模型建立与分析...................................................................................62.1引言.................................................................................................................................62.2三轴云台结构分析..........................................................................................................62.3三轴