四旋翼飞行器悬停控制研究

发布时间：2017-07-30 23:00

  本文关键词：四旋翼飞行器悬停控制研究

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【摘要】：四旋翼飞行器(又称四旋翼无人机)是一种结构简单,机动性强,可垂直起降、定点悬停的多旋翼飞行器,具有体积小,重量轻,灵活性强等优点。通过改变四个旋翼上电机的转速可实现各种飞行器姿态,特别适用于军事侦察,航空摄影,近地面巡查,输电线路检查等任务,在军事和民用领域具有重要的应用价值。然而四旋翼飞行器模型是具有非线性、欠驱动、强耦合等特性,飞行器在飞行过程中易受到气流、噪声等外部干扰,增加了其控制器设计的难度。本课题研究重点是四旋翼飞行器控制器的设计。首先,介绍四旋翼飞行器的基本运动方式及其工作原理,根据牛顿定理及欧拉定理对四旋翼飞行器的物理模型进行力矩和受力分析,完成四旋翼飞行器动力学模型的建立;然后,在动力学模型的基础上设计了反步控制和滑模控制两种控制器,并与传统PID控制策略进行对比,分别进行了相关的仿真研究。利用反步法对不确定性系统(受干扰或不确定性不满足匹配条件时)表现的强鲁棒以及自适应性,采用反步控制策略为四旋翼飞行器设计了反步控制器,并在MATLAB/Simlink环境下进行仿真研究,对仿真进行研究分析,容易看出所设计的反步控制器基本上实现了对四旋翼飞行器的稳定控制。滑模控制具有响应速度快、对扰动及参数变化不灵敏、无需系统在线辨识、鲁棒性强、物理实现简单等优点。本文利用滑模方法为飞行器设计控制器,并采用指数趋近律,快速响应的同时削弱了系统的抖动,有效的实现对四旋翼飞行器的稳定控制。总之,采用PID算法、反步算法以及滑模三种控制算法为四旋翼飞行器设计了控制器,并在simlink环境下进行了仿真研究,仿真结果表明,三种控制策略都基本上实现了飞行器的稳定控制,当给系统加入一定的干扰,PID控制系统畸变大,并且最终系统无法达到稳定,而反步和滑模控制在一定时间内达到稳定,说明了反步控制和滑模控制具有抗干扰性和强的鲁棒性。
【关键词】：四旋翼飞行器 PID控制 反步控制 滑模控制 稳定控制
【学位授予单位】：辽宁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外发展现状10-14
• 1.3 四旋翼飞行器控制算法研究现状14-15
• 1.4 课题研究内容15-16
• 2 四旋翼飞行器运动方式及动力学模型16-25
• 2.1 四旋翼飞行器工作原理及运动方式16-19
• 2.2 坐标系的选择与转换19-20
• 2.3 四旋翼飞行器动力学模型的建立20-23
• 2.3.1 建模前的假设20
• 2.3.2 动力学模型的建立20-23
• 2.4 电机模型23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3 基于经典理论的四旋翼飞行器控制研究25-38
• 3.1 经典PID控制理论25-26
• 3.2 四旋翼飞行器控制器的设计26-32
• 3.2.1 PID姿态及高度控制26-30
• 3.2.2 控制系统的总体设计30-32
• 3.3 系统仿真与结果分析32-37
• 3.3.1 仿真环境与仿真参数32
• 3.3.2 悬停控制研究32-34
• 3.3.3 轨迹跟踪研究34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 四旋翼飞行器的反步法控制研究38-50
• 4.1 反步法控制理论38-40
• 4.1.1 Lyapunov稳定性理论38
• 4.1.2 反步法基本理论38-40
• 4.2 反步控制器的设计40-42
• 4.3 系统仿真与结果分析42-49
• 4.3.1 反步控制高度及姿态控制42-44
• 4.3.2 悬停控制研究44-46
• 4.3.3 轨迹跟踪研究46-49
• 4.4 本章小结49-50
• 5 四旋翼飞行器的滑模控制研究50-62
• 5.1 滑模变结构的基本原理50-52
• 5.1.1 滑动模态存在条件50-51
• 5.1.2 滑动模态到达条件51
• 5.1.3 滑模面的设计51-52
• 5.2 滑模控制器设计52-53
• 5.3 系统仿真与结果分析53-61
• 5.3.1 滑模控制高度及姿态控制53-56
• 5.3.2 悬停控制研究56-58
• 5.3.3 轨迹跟踪研究58-61
• 5.4 本章小结61-62
• 6 结论62-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68
• 附录 飞行器高度及姿态控制仿真图68

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

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本文编号：596386