基于DMOC的四旋翼飞行器轨迹优化与控制算法研究

发布时间：2017-06-11 06:01

  本文关键词：基于DMOC的四旋翼飞行器轨迹优化与控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼飞行器是典型的集强耦合、非线性、多变量等特性为一体的旋翼式无人机。目前，针对该飞行器的研究涵盖系统结构设计、模型建立、控制律设计和路径规划等。其中，为了实现飞行器在实际情况中规避危险以完成搜索或跟踪任务，并结合自身负载的局限性，能够事先规划好尽量短时间的飞行轨迹并进行准确地跟踪控制就显得尤为重要。 由于四旋翼自身的特性以及飞行任务的复杂性，为了进一步提高算法地适用性、收敛速度以及可解性，本文针对四旋翼飞行器，在现有轨迹优化算法和跟踪控制算法的基础上进行适当改进，并通过大量的仿真实验加以验证分析。主要研究内容如下： 1.建立四旋翼飞行器模型。在合理假设的基础上，建立双坐标系。依据飞行器特性分析，结合牛顿第二定理以及欧拉方程，推导系统相应的动力学方程。同时，为了后续轨迹优化及控制器设计工作的顺利进行，对数学模型进行了线性化和解耦处理。 2.提出借助于辅助初值猜测策略（Auxiliary Initial Guess Strategy, AIGS）的MDMOC (Multi-phase Discrete Mechanics and Optimal Control)轨迹优化算法。通过传统DMOC方法、高斯伪谱法(Gauss Pseudo-spectral Method, GPM)和一种借助于AIGS结合分段轨迹优化策略的MDMOC方法的综合对比，得出：就四旋翼飞行器问题而言，GPM要优于DMOC法，借助于AIGS的MDMOC在优化效率和程序化方面优于GPM；同时，，MDMOC在保证一定精确度的同时，更加适用于复杂飞行要求和飞行环境中使用。因此，采用MDMOC将作为下一部分生成控制器设计中最优参考输入轨迹的优化方法。 3.设计飞行器自适应轨迹跟踪控制系统。四旋翼飞行器复杂的动力学特性和诸多的不确定性使得跟踪控制器的设计变的更加困难。因此，分别采用经典PD控制算法和一种质量未知情况下基于反步法的滑模变结构自适应控制算法设计轨迹跟踪控制器。仿真结果显示，两种方法均能实现较为稳定的飞行和轨迹跟踪。具体的，在系统达到稳定所需的上升时间，稳定时间以及鲁棒性方面，基于反步法的滑模变结构自适应算法具有较大的改善，更加适用。
【关键词】：四旋翼飞行器 轨迹优化 跟踪控制 MDMOC 辅助初值猜测策略 Gauss伪谱法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 四旋翼飞行器发展概述11-15
• 1.2.1 历史回顾11
• 1.2.2 结构特点及研究现状11-15
• 1.3 轨迹优化方法概述15-17
• 1.4 小型飞行器飞行控制方法概述17-19
• 1.5 本文研究内容和章节安排19-20
• 第2章 四旋翼飞行器模型建立20-29
• 2.1 引言20
• 2.2 四旋翼飞行器结构及工作原理20-22
• 2.2.1 飞行器的结构20-21
• 2.2.2 飞行原理21-22
• 2.3 四旋翼飞行器的数学模型22-28
• 2.3.1 坐标系定义及转换关系22-23
• 2.3.2 作用在飞行器上的力和力矩23-24
• 2.3.3 动力学模型24-27
• 2.3.4 特性分析27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 四旋翼飞行器轨迹优化29-54
• 3.1 引言29
• 3.2 轨迹优化问题描述29-30
• 3.3 轨迹优化方法的选取30-33
• 3.4 四旋翼飞行器问题描述33-35
• 3.5 Gauss 伪谱法35-42
• 3.5.1 Gauss 伪谱法基本原理36-39
• 3.5.2 四旋翼飞行器问题求解39-42
• 3.6 结合分段策略的离散最优理论42-52
• 3.6.1 DMOC 基本原理43-45
• 3.6.2 分段优化策略45-48
• 3.6.3 辅助初值猜测策略48-49
• 3.6.4 四旋翼飞行器问题求解49-52
• 3.7 优化方法分析对比52-53
• 3.8 本章小结53-54
• 第4章 飞行器轨迹跟踪控制器设计54-78
• 4.1 引言54
• 4.2 轨迹跟踪控制问题54-59
• 4.2.1 问题描述54-55
• 4.2.2 最优参考输入轨迹生成55-59
• 4.3 基于经典内/外环反馈控制器设计59-63
• 4.3.1 经典 PID 控制器概述59-60
• 4.3.2 外环控制器设计（位置跟踪控制器）60-62
• 4.3.3 内环控制器设计（姿态跟踪控制器）62-63
• 4.4 基于反步法的滑模自适应控制器设计63-70
• 4.4.1 控制方法概述64-67
• 4.4.2 自适应控制器设计67-70
• 4.5 仿真实验及分析对比70-76
• 4.5.1 位姿跟踪曲线71-74
• 4.5.2 控制输入量和参数估计曲线74-75
• 4.5.3 抗干扰分析75-76
• 4.6 本章小结76-78
• 第5章 总结与展望78-80
• 5.1 论文总结78-79
• 5.2 展望79-80
• 参考文献80-85
• 攻读学位期间发表的论文85-86
• 致谢86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 聂博文;马宏绪;王剑;王建文;;微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J];电光与控制;2007年06期

2 何朕;王广雄;杨文哲;;一类欠驱动系统的频域反步法设计[J];电机与控制学报;2012年02期

3 李占科,宋笔锋,宋海龙;微型飞行器的研究现状及其关键技术[J];飞行力学;2003年04期

4 陈功;傅瑜;郭继峰;;飞行器轨迹优化方法综述[J];飞行力学;2011年04期

5 周祥龙,赵景波;欠驱动非线性控制方法综述[J];工业仪表与自动化装置;2004年05期

6 李娜英,李惠峰;军用无人机发展现状及趋势分析[J];航空制造技术;2004年10期

7 姚寅伟;李华滨;;基于Gauss伪谱法的高超声速飞行器多约束三维再入轨迹优化[J];航天控制;2012年02期

8 刘志军;吕强;王东来;;小型四旋翼直升机的建模与仿真控制[J];计算机仿真;2010年07期

9 王宏强;王道波;Ashfaq Ahmad Mian;段海滨;;无人直升机鲁棒跟踪解耦飞行控制研究[J];机械科学与技术;2009年04期

10 杨明志;王敏;;四旋翼微型飞行器控制系统设计[J];计算机测量与控制;2008年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 魏巍;多流体混合微流控制系统的研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

  本文关键词：基于DMOC的四旋翼飞行器轨迹优化与控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：440883