基于反步法的四旋翼飞行器控制方法研究

发布时间：2017-08-12 00:08

  本文关键词：基于反步法的四旋翼飞行器控制方法研究

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【摘要】：随着嵌入式处理器、微传感器技术和控制理论的日益成熟和完善,四旋翼无人飞行器正在朝着高度智能化和微型化的方向迅猛发展,并且已经在军事领域和民用领域起到越来越重要的作用。同时,四旋翼飞行器通过凭借其独特的机械结构、复杂的空气动力学特性成功吸引了广大研究爱好者的关注。本文以四旋翼无人飞行器为研究对象,重点对四旋翼飞行器空气动力学模型的建立、模型的简化以及非线性控制算法做出了研究,旨在解决飞行器飞行过程中存在的参数的不确定性和随机干扰的问题,提高系统的鲁棒性和稳定性。本文研究的主要内容包含以下几个方面：一、四旋翼飞行器模型的建立。本文首先介绍了四旋翼飞行器的结构特征并详细分析了飞行器的工作原理,选定常规的惯性坐标系和机体坐标系作为参考坐标系,以此为基础,运用牛顿第二定律和合外力矩定律,推导出四旋翼无人飞行器的数学模型,并基于实验飞行条件,合理简化了飞行器的数学模型。二、针对传统线性化算法将四旋翼非线性的数学模型线性化的这一不足之处,采用非线性控制算法来设计控制器。针对四旋翼数学模型满足严反馈形式这一特点,采用反步法作为控制器的设计算法,将系统分为内、外环(位置环、姿态环)等六个子通道分别进行控制器设计,通过定点悬停的仿真实验初步验证了反步控制算法的有效性和模型简化的合理性,证实了对于非线性控制算法的研究有一定的理论指导意义。三、反步结合滑模变结构控制算法。考虑飞行器飞行过程中存在不确定性和随机干扰,采用滑模变结构算法提高系统鲁棒性。针对第二章得到的飞行器数学模型,结合滑模变结构控制算法,设计反步滑模变结构控制器,对系统加以周期干扰,通过仿真数据分析得出,证实了滑模变结构控制在提高系统鲁棒性方面的突出优势。四、反步结合自适应控制算法。同样针对飞行器飞行过程中存在不确定性和随机干扰的问题,主要是针对飞行器坐标轴上存在不确定干扰和姿态环转动惯量在飞行过程中参数的不确定性,针对同一四旋翼数学模型,结合自适应控制算法,设计反步自适应控制器。以定点悬停和路径跟踪的仿真说明自适应在处理不确定方面的成效。
【关键词】：四旋翼无人飞行器 欠驱动系统 非线性控制 反步法 滑模变结构控制 自适应控制 渐近跟踪
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景与意义9-10
• 1.2 课题研究国内外发展现状10-14
• 1.3 本文的研究内容与结构安排14-15
• 第二章 四旋翼无人飞行器数学建模15-23
• 2.1 四旋翼无人飞行器结构15
• 2.2 四旋翼无人飞行器控制原理15-16
• 2.3 四旋翼无人飞行器数学建模16-21
• 2.3.1 空间坐标的建立16-17
• 2.3.2 机体坐标系与地面坐标系的转换17-19
• 2.3.3 四旋翼无人飞行器数学模型19-21
• 2.4 小结21-23
• 第三章 基于反步法的四旋翼无人飞行器控制器设计23-35
• 3.1 反步法的控制思想23-24
• 3.2 基于反步法的控制器设计思路24-25
• 3.3 基于反步法的控制器设计25-29
• 3.3.1 姿态环(内环)控制器设计26-27
• 3.3.2 位置环(外环)控制器设计27-28
• 3.3.3 非线性约束条件28-29
• 3.4 基于反步法设计的四旋翼无人飞行器控制器的定点仿真29-33
• 3.5 小结33-35
• 第四章 四旋翼无人飞行器反步法结合滑模变结构控制35-51
• 4.1 绪论35-36
• 4.2 滑模控制36-39
• 4.2.1 滑动模态36-37
• 4.2.2 滑模变结构控制的基本问题37
• 4.2.3 滑动模态的存在条件37-38
• 4.2.4 滑动模态的到达条件38
• 4.2.5 滑模变结构控制存在的问题38-39
• 4.3 四旋翼无人飞行器反步法结合滑模变结构控制器设计39-42
• 4.3.1 姿态环控制器设计39-40
• 4.3.2 位置环控制器设计40-42
• 4.4 四旋翼无人飞行器鲁棒性仿真实验42-49
• 4.5 小结49-51
• 第五章 四旋翼无人飞行器基于反步法的自适应控制器设计51-71
• 5.1 自适应控制51-53
• 5.1.1 自适应技术的定义和三要素51-52
• 5.1.2 模型参考自适应系统52
• 5.1.3 自校正控制系统52-53
• 5.2 四旋翼无人飞行器位置环上的反步自适应控制器设计53-56
• 5.3 四旋翼无人飞行器自适应定点飞行仿真56-60
• 5.4 四旋翼无人飞行器姿态环的反步自适应控制器设计60-62
• 5.5 四旋翼无人飞行器自适应路径跟踪仿真62-70
• 5.6 小结70-71
• 第六章 基于反步法的四旋翼飞行器的定点悬停实验71-81
• 6.1 Qball-X4飞行平台介绍71-74
• 6.2 基于反步法设计的四旋翼无人飞行控制器的定点悬停实验74-79
• 6.3 小结79-81
• 第七章 总结与展望81-83
• 7.1 工作总结81-82
• 7.2 进一步的工作和研究展望82-83
• 参考文献83-87
• 发表论文和参加科研情况说明87-89
• 致谢89

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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

2 _5^懔，

本文编号：658839