基于卡尔曼滤波进行四旋翼动力学建模(Simulink&Matlab)

简介: 基于卡尔曼滤波进行四旋翼动力学建模(Simulink&Matlab)

💥💥💞💞欢迎来到本博客❤️❤️💥💥


🏆博主优势:🌞🌞🌞博客内容尽量做到思维缜密,逻辑清晰,为了方便读者。


⛳️座右铭:行百里者,半于九十。


📋📋📋本文目录如下:🎁🎁🎁


目录


💥1 概述


📚2 运行结果


🎉3 参考文献


🌈4 Matlab代码实现


💥1 概述

文献来源:


6f10cc31279d418285fa045022edd175.png


摘要:由于近年来民用和军事领域对无人机的兴趣日益浓厚,自主微型飞行机器人的研究得到了极大的加强。本文总结了OS4项目建模和控制部分的最终成果,重点是四旋翼飞行器的设计和控制。介绍了考虑车辆运动引起的气动系数变化的仿真模型。利用该模型得到的控制参数在不重新整定的情况下成功地应用于直升机。本文的最后一部分描述了控制方法(积分反演)和我们提出的四旋翼飞行器(姿态、高度和位置)的完全控制方案。


最后给出了自主起飞、悬停、着陆和避碰的结果。


原文摘要:


Abstract— The research on autonomous miniature flying robots has intensified considerably thanks to the recent growth of civil and military interest in Unmanned Aerial Vehicles

(UAV). This paper summarizes the final results of the modeling and control parts of OS4 project, which focused on design and control of a quadrotor. It introduces a simulation model which takes into account the variation of the aerodynamical coefficients due to vehicle motion. The control parameters found with this model are successfully used on the helicopter without re-tuning. The last part of this paper describes the control approach (Integral Backstepping) and the scheme we propose for full control of quadrotors (attitude, altitude and position). Finally, the results of autonomous take-off, hover, landing and

collision avoidance are presented.


对以下内容进行了建模: - 四旋翼动力学

- 电机动力学 - 用于状态估计的卡尔曼滤波 - 简单的传感器模型/ADC转换

以下内容未建模:


- 螺旋桨动力学


- 控制规律


- 动力子系统


此SIM卡可用于:

- 系统可行性研究

- 系统性能评估和权衡

- 控制律性能评估


dd4fb3e9c7af41199ef038e12bcd5e96.png

60f1ac944a3a49e3a1b287d886621505.png


📚2 运行结果


597db406c8044ceeae96a98b2a74c287.png


055bd2982b1c487f9643addc9d1d71ce.png

4afd756db85841958183e3a562840e15.png



39946c7e08c8497c8495c876734be41f.png

6cf81f762b6d41298186a70b2acff1da.jpg


89f0dac158424b8aa4a7cea09b663a24.jpg

3aee11b5eaf6428a81b4eb96d050b439.png


58c7742b926c4de1b18e494668aaf1ab.png


部分代码:

%% simulation set up
step_time = 0.5;                       % simulation step time(sec)
end_time  = 1000;                   % simulation end time (sec)
%end_time  = 86400;
%% attitude estimator gains
Tatd  = 0.5;                          % attitude estimator update time (sec)
Tqint = 0.5;                         % discrete quaternion integration period (sec)
Tsen_out = 0.5;                      % sensor output period (sec)
TkfProp = 0.5;                       % Kalman filter propagation period (sec)
KfupdatePeriodInCycle = 1;           % Kalman filter update period (propagation cycle)
f_bw_atd = 0.02;                     % attitude determination bandwidth (hz)
%f_bw_atd = 0.005;
zeta = 0.7;
Krp =  (2*pi*f_bw_atd)^2 * eye(3);
Kpp =  2*zeta*2*pi*f_bw_atd*eye(3);
qest0 = [0*1e-4; 0; 0; 1];                          % initial estimator quaternion
delta_west0 = zeros(3,1);                           % initial deviation of estimator angular rate (rad/sec)
max_delta_w = 0.1*pi/180;
delta_w_lim = 2e-4; %0.1/pi/Tqint;
delta_th_lim= 1e-4; %0.1*pi/180/Tqint;
q0 = [0; 0; 0; 1];   
%% for estimate error standard deviation prediction calculation
wn=sqrt(diag(Krp));
k=sqrt((wn.^4+4*zeta^2)./(4*zeta*wn));
%% for using Lyapunove equation to solve for expected estimation error
C=[1 0];  K=[Kpp(1,1);Krp(1,1)];      A=[0    1;0 0]-K*C; B=K; 
H=[1 0];  K=[Kpp(1,1);Krp(1,1)]*Tatd; F=[1 Tatd;0 1]-K*H; G=K;
%% Kalman filter setups
Fmat = [eye(3) TkfProp*eye(3);zeros(3,3) eye(3)];
Hmat = [eye(3)  zeros(3,3)];
therr0 = max([abs(qest0(1:3)); 5*1e-4]);  % initial error estimate, assuming q0=[0 0 0 1]
P0 = diag([therr0^2*ones(1,3) 3e-6^2*ones(1,3)]);
R = TkfProp*KfupdatePeriodInCycle*diag(position_uncertainty_var);%1e-3^2*eye(3)*
Q = diag([1e-5^2*ones(1,3), 1e-7^2*ones(1,3)])*TkfProp;
max_rate = pi/180;
P0 = diag([1e-32*ones(1,3) 1e-5^2*ones(1,3)]);
Q = diag([1e-5^2*ones(1,3), 5e-6^2*ones(1,3)])*TkfProp;
max_bias = 1*pi/180/3600;
%% start simulation
Tcapt = Tsen_out;                              % sim variable capture rate (sec)


🎉3 参考文献

部分理论来源于网络,如有侵权请联系删除。



🌈4 Matlab代码实现


相关文章
|
3天前
|
算法
基于梯度流的扩散映射卡尔曼滤波算法的信号预处理matlab仿真
本项目基于梯度流的扩散映射卡尔曼滤波算法(GFDMKF),用于信号预处理的MATLAB仿真。通过设置不同噪声大小,测试滤波效果。核心代码实现数据加载、含噪信号生成、扩散映射构建及DMK滤波器应用,并展示含噪与无噪信号及滤波结果的对比图。GFDMKF结合非线性流形学习与经典卡尔曼滤波,提高对非线性高维信号的滤波和跟踪性能。 **主要步骤:** 1. 加载数据并生成含噪测量值。 2. 使用扩散映射捕捉低维流形结构。 3. 应用DMK滤波器进行状态估计。 4. 绘制不同SNR下的轨迹示例。
空心电抗器的matlab建模与性能仿真分析
空心电抗器是一种无铁芯的电感元件,通过多层并联导线绕制而成。其主要作用是限制电流、滤波、吸收谐波和提高功率因数。电抗器的损耗包括涡流损耗、电阻损耗和环流损耗。涡流损耗由交变磁场引起,电阻损耗与电抗器半径有关,环流损耗与各层电流相关。系统仿真使用MATLAB2022a进行。
|
1月前
|
算法
基于GA遗传算法的PID控制器参数优化matlab建模与仿真
本项目基于遗传算法(GA)优化PID控制器参数,通过空间状态方程构建控制对象,自定义GA的选择、交叉、变异过程,以提高PID控制性能。与使用通用GA工具箱相比,此方法更灵活、针对性强。MATLAB2022A环境下测试,展示了GA优化前后PID控制效果的显著差异。核心代码实现了遗传算法的迭代优化过程,最终通过适应度函数评估并选择了最优PID参数,显著提升了系统响应速度和稳定性。
147 15
|
2月前
|
算法
基于HASM模型的高精度建模matlab仿真
本课题使用HASM进行高精度建模,介绍HASM模型及其简化实现方法。HASM模型基于层次化与自适应统计思想,通过多层结构捕捉不同尺度特征,自适应调整参数,适用于大规模、高维度数据的分析与预测。MATLAB2022A版本运行测试,展示运行结果。
|
2月前
|
机器学习/深度学习 存储 算法
基于Actor-Critic(A2C)强化学习的四旋翼无人机飞行控制系统matlab仿真
基于Actor-Critic强化学习的四旋翼无人机飞行控制系统,通过构建策略网络和价值网络学习最优控制策略。MATLAB 2022a仿真结果显示,该方法在复杂环境中表现出色。核心代码包括加载训练好的模型、设置仿真参数、运行仿真并绘制结果图表。仿真操作步骤可参考配套视频。
88 0
|
4月前
|
资源调度 算法
基于迭代扩展卡尔曼滤波算法的倒立摆控制系统matlab仿真
本课题研究基于迭代扩展卡尔曼滤波算法的倒立摆控制系统,并对比UKF、EKF、迭代UKF和迭代EKF的控制效果。倒立摆作为典型的非线性系统,适用于评估不同滤波方法的性能。UKF采用无迹变换逼近非线性函数,避免了EKF中的截断误差;EKF则通过泰勒级数展开近似非线性函数;迭代EKF和迭代UKF通过多次迭代提高状态估计精度。系统使用MATLAB 2022a进行仿真和分析,结果显示UKF和迭代UKF在非线性强的系统中表现更佳,但计算复杂度较高;EKF和迭代EKF则更适合维数较高或计算受限的场景。
|
5月前
|
算法
基于卡尔曼滤波的系统参数辨识matlab仿真
此程序采用卡尔曼滤波技术实现系统参数在线辨识,通过MATLAB 2022a仿真展现参数收敛过程、辨识误差,并比较不同信噪比下系统性能。卡尔曼滤波递归地结合历史估计与当前观测,优化状态估计。参数辨识中,系统参数被视为状态变量,通过迭代预测和更新步骤实现在线估计,有效处理了线性系统中的噪声影响。
120 12
|
5月前
|
数据采集 存储 移动开发
【2023五一杯数学建模】 B题 快递需求分析问题 建模方案及MATLAB实现代码
本文介绍了2023年五一杯数学建模竞赛B题的解题方法,详细阐述了如何通过数学建模和MATLAB编程来分析快递需求、预测运输数量、优化运输成本,并估计固定和非固定需求,提供了完整的建模方案和代码实现。
115 0
【2023五一杯数学建模】 B题 快递需求分析问题 建模方案及MATLAB实现代码
|
5月前
|
算法
基于matlab的风力发电系统建模与详细性能仿真分析
本研究介绍风力发电原理与系统模型,使用MATLAB 2022a进行性能仿真。风力通过风轮转化为电能,涉及贝努利定理及叶素理论。仿真展示了风速与输出功率间的关系,包括风电利用系数、切入切出控制与MPPT控制效果。当风速超过25m/s时,系统自动停机保护设备。MPPT算法确保了在变化风速下获得最大功率。
|
5月前
|
安全
【2023高教社杯】D题 圈养湖羊的空间利用率 问题分析、数学模型及MATLAB代码
本文介绍了2023年高教社杯数学建模竞赛D题的圈养湖羊空间利用率问题,包括问题分析、数学模型建立和MATLAB代码实现,旨在优化养殖场的生产计划和空间利用效率。
245 6
【2023高教社杯】D题 圈养湖羊的空间利用率 问题分析、数学模型及MATLAB代码

热门文章

最新文章