四旋翼无人飞行器鲁棒控制器设计

发布时间：2017-12-01 13:08

  本文关键词：四旋翼无人飞行器鲁棒控制器设计

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【摘要】：四旋翼无人飞行器是一种具有六个自由度并且能够垂直起降的无人机,它以其低成本、结构简单和独特的飞行方式等特点在军事和民用等领域得到了广泛的应用。本文在综述了四旋翼无人飞行器的研究现状和关键技术的基础上,根据其动力学特性和运动学特性建立了数学模型,然后分析了该模型的多变量、非线性、欠驱动和强耦合的系统特性,将多种控制方法应用于四旋翼无人飞行器系统,并通过数字仿真和试飞实验对本文提出的方法进行分析和验证。主要的研究内容和成果包括：首先,针对四旋翼无人飞行器的动力学特性,根据牛顿定律和欧拉方程推导出位移和姿态的动力学模型,在此基础上结合Qball-X4无人机工具实验平台的电机模型和相关器件参数建立起该无人机的数学模型。其次,分析了四旋翼无人飞行器的室内自主飞行过程,把该过程划分为起飞、点对点轨迹飞行和降落三个阶段,运用有限状态机原理设计了室内自主飞行的逻辑监控程序。再次,在本文所建数学模型的基础上,设计了姿态内环和位置外环构成的双闭环PID控制器,并且在内外环之间根据姿态和位置耦合关系采用导航系统采集到的偏航角进行了控制量校正。运用Simulink搭建四旋翼无人飞行器仿真系统,仿真验证了所设计控制器的有效性,之后把该控制器应用到Qball-X4实验平台,成功实现了定点悬停。最后,针对系统实际飞行过程中的环境干扰和不确定性,分高度、滚转、俯仰和偏航四个通道设计了滑模变结构控制器,推导出使系统稳定的控制量表达式,并对其进行了Lyapunov稳定性分析。其后进行了定点悬停和鲁棒性分析仿真实验,实验结果表明相比于经典PID控制,该控制器在响应速度和鲁棒性等方面均有明显改善。
【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

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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：1241190