四旋翼无人直升机控制算法研究

发布时间：2017-06-14 06:14

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【摘要】：四旋翼无人直升机是一种具有垂直起降与空中悬停等特殊飞行能力的多旋翼无人飞行器，其结构简单优美，通过改变四个旋翼的转速，可产生各种飞行姿态。它在空中可以从悬停状态瞬间改变为其它姿态，具有很强的机动性能和负载承载能力。在控制领域以及商业领域得到越来越多的重视，对其的开发应用也涉及到军用以及民用方面的较多领域。 本文研究重点为四旋翼无人直升机控制器的设计方法，首先介绍了四旋翼无人直升机的研究背景与意义，简要回顾了其历史发展，总结了国内外的相关控制算法的研究。其次，针对了四旋翼无人直升机的自身结构分析了它的基本的运动方式及其原理，然后在其物理模型的基础上依据牛顿以及欧拉定理进行受力分析和力矩分析，最终完成其动力学模型的建立。再次，依据建立的四旋翼无人直升机的动力学模型，本文基于模糊自整定PID算法以及反步设计法设计了两种控制器，并分别进行了相关的控制研究。 第一种控制器将经典PID算法和模糊控制理论相结合，吸取两种控制算法的优点，通过设计合理的模糊控制规则，设计了模糊自整定PID控制器，并且在此控制器下研究四旋翼无人直升机的悬停控制与轨迹跟踪研究，并且取得较好的效果。 第二种控制器采用李雅普诺夫稳定性定理和反步设计法，将整个控制系统设计成两种回路，每一回路划分成三个二阶控制器，有效地降低了控制器的阶数，并且在此控制器下研究了悬停与轨迹跟踪控制。
【关键词】：四旋翼无人直升机 模糊自整定PID 反步设计法 控制算法
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V249.1;V271.5
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 四旋翼无人直升机研究背景及意义11-12
• 1.2 四旋翼无人直升机历史回顾及发展现状12-15
• 1.3 四旋翼无人直升机控制算法国内外研究现状15-20
• 1.4 本文的主要工作20-21
• 第2章 四旋翼无人直升机运动方式及其动力学建模21-31
• 2.1 运动方式介绍21-24
• 2.2 地面与机体坐标系的建立24
• 2.3 两组重要的转换关系24-26
• 2.4 非线性动力学模型的建立26-30
• 2.4.1 建模前的基本假设26
• 2.4.2 非线性动力学模型26-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 基于模糊自整定 PID 的四旋翼无人直升机控制研究31-50
• 3.1 经典 PID 控制理论31-32
• 3.2 模糊控制理论基础32-37
• 3.2.1 模糊控制器32-36
• 3.2.2 模糊自适应整定 PID 控制原理36-37
• 3.3 模糊自整定 PID 控制器设计37-43
• 3.3.1 控制系统的总体结构设计37-38
• 3.3.2 模糊模块的算法设计38-41
• 3.3.3 控制器的 Simulink 搭建41-43
• 3.4 控制仿真与结果分析43-49
• 3.4.1 仿真环境设置与仿真参数43-44
• 3.4.2 悬停控制研究44-47
• 3.4.3 轨迹跟踪研究47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 基于反步设计法的四旋翼无人直升机控制研究50-64
• 4.1 LYAPUNOV 稳定性理论50-51
• 4.2 反步设计法及其稳定性证明51-55
• 4.3 基于反步设计法的控制器设计55-59
• 4.3.1 姿态控制系统设计56-57
• 4.3.2 位置控制系统设计57-59
• 4.4 控制仿真与结果分析59-63
• 4.4.1 悬停控制研究59-62
• 4.4.2 轨迹跟踪研究62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 宿敬亚;樊鹏辉;蔡开元;;四旋翼飞行器的非线性PID姿态控制[J];北京航空航天大学学报;2011年09期

2 高文华;苏宏志;;模糊自适应PID在数控进给伺服系统的应用[J];制造业自动化;2009年07期

3 高应杰;陈鼎新;李荣明;;小型四旋翼无人飞行器控制算法研究[J];计算机与现代化;2011年10期

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中国硕士学位论文全文数据库 前3条

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2 刁琛;四旋翼无人飞行器的非线性自适应控制器设计[D];天津大学;2010年

3 岳基隆;四旋翼无人机自适应控制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年

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本文编号：448730