四旋翼无人机一种复合控制方法的研究

发布时间：2017-07-30 00:20

  本文关键词：四旋翼无人机一种复合控制方法的研究

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【摘要】：四旋翼无人机相对于传统的固定翼无人机,具有结构简单、垂直起降、定点悬停、低空低速飞行等优点,具有重要的军用和民用价值,近几年迅速成为研究热点。由于四旋翼无人机是一种强耦合的欠驱动系统,使得对其建立精确的动力学模型和对姿态、位置的控制都变得十分复杂,而对四旋翼无人机进行精确的运动控制,是其在各个领域中得到应用的基础。飞行控制器只有拥有优异的控制效果,才能满足四旋翼无人机在各个领域的应用需求。本文针对四旋翼无人机,主要研究以下内容:首先以四旋翼无人机实验平台为基础,对其动力学特性和飞行控制原理进行分析,利用牛顿-欧拉方程,在添加必要的约束条件下,分析实验平台各个组件的物理结构和受力情况,经过理论推导,建立其动力学模型,并进行合理的简化,方便后续控制器的设计。其次针对四旋翼无人机的动力学模型,将四旋翼无人机系统分解成六个子系统,并表示成满足严格反馈的形式,利用Backstepping方法,从低阶到高阶,依次构造Lyapunov函数和虚拟控制变量,使低阶系统满足Lyapunov稳定性理论,最终得到实际的控制率。然后通过分析四旋翼无人机姿态控制和位置控制的特点,对Backstepping控制器进行改进结合设计一种复合控制器。姿态子回路采用一种结合Backstepping方法和滑模变结构控制理论设计的反步滑模控制器,兼具Backstepping控制器的快速响应和滑模控制器的强抗干扰性;位置子回路采用自适应Backstepping控制器,使得位置控制更为准确平滑。最后将两种控制器进行实现,加载到实验平台,分别针对高度、姿态角和悬停控制进行实验,将二者的控制曲线进行对比,结果表明复合控制器具有更优的控制效果。
【关键词】：四旋翼无人机 动力学模型 Backstepping 滑模控制 自适应控制
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1;V279
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题背景及研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.3 主要内容和论文结构16-18
• 第2章 四旋翼无人机组成及动力学模型的建立18-27
• 2.1 四旋翼无人机运动控制原理18-20
• 2.2 无人机的两种坐标系定义及转换20-22
• 2.2.1 两种坐标系20-21
• 2.2.2 坐标系之间的转换21-22
• 2.3 动力学非线性模型22-26
• 2.3.1 建立动力学模型22-25
• 2.3.2 简化动力学模型25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 四旋翼无人机Backstepping控制器设计27-38
• 3.1 Backstepping设计方法27-32
• 3.1.1 Lyapunov稳定性理论27-29
• 3.1.2 Backstepping方法原理29-32
• 3.2 基于Backstepping的控制器设计32-37
• 3.2.1 构建系统模型的状态空间32-33
• 3.2.2 利用Backstepping方法设计姿态控制器33-35
• 3.2.3 利用Backstepping方法设计位置控制器35-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第4章 结合反步法和滑模理论的复合控制器设计38-47
• 4.1 四旋翼无人机复合控制结构设计38
• 4.2 姿态子回路反步滑模控制器设计38-43
• 4.2.1 滑模变结构控制理论38-41
• 4.2.2 结合Backstepping和滑模控制设计41-43
• 4.3 位置子回路自适应反步控制器设计43-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 实验结果及分析47-60
• 5.1 实验平台简介47-51
• 5.1.1 实验平台硬件47-49
• 5.1.2 实验平台软件49-51
• 5.2 Backstepping控制器实验51-55
• 5.3 复合控制器实验55-59
• 5.4 本章小结59-60
• 总结与展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 作者简介67-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果68-69

【参考文献】

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本文编号：591752