四旋翼飞行器姿态控制方法研究

发布时间：2017-03-20 06:07

  本文关键词：四旋翼飞行器姿态控制方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼飞行器是一种特殊的非固定翼飞行器,它通过控制四个旋翼的转速,实现垂直起降、定点悬停、旋转、侧飞、倒飞等功能。这种结构被广泛用以小型无人飞行器的设计,具有重要的实用价值。而四旋翼飞行器本身具有的强耦合性、非线性及其对外界干扰的敏感性,使得飞行器系统的控制设计变得复杂。 四旋翼飞行器的姿态控制与位置控制存在直接耦合关系,提高飞行器姿态控制精度,有利于改善位置控制。因此本课题的研究着重于飞行器的姿态控制,主要包括飞行器模型建立、控制器设计仿真、半实物平台的实时控制及结果分析比较： (1)通过对飞行器关键受力与力矩的分析,建立了线性与非线性动态模型。基于飞行器悬停运动,将姿态运动简化为刚体绕定轴转动,建立了简单的线性模型。然而,该模型忽略了坐标系的相对运动,导致模型的不准确性。随后,通过对飞行器绕定点旋转运动的力矩分析,利用牛顿欧拉方程建立了非线性模型。 (2)在了解并掌握飞行器动态模型的基础上,进行了控制器设计与仿真实验分析。针对系统的非线性模型,通过反向递推构造Lyapunov函数,设计了Backstepping控制器。应用滑模变结构原理,设计了滑模控制器,使系统的状态在设定滑模面上滑动。最后通过仿真实验,与基于系统线性模型的二次型调节器进行了综合比较分析。 (3)在仿真实验的基础上,根据实验结果综合比较,选择Backstepping控制律,实现了对飞行器半实物平台的实时控制,并结合LQR控制律的特点设计了Integral Backstepping控制器。实际实验证明,使用Integral Backstepping控制器既能有效地减少各通道的超调量、限制振荡,又能弥补Backstepping控制器存在静态误差的缺点,准确地跟踪目标角度,使飞行器表现出更好的动态性能。
【关键词】：四旋翼飞行器 姿态控制 滑模控制 Integral Backstepping控制
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 研究意义10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.3 四旋翼飞行器控制方法12-13
• 1.4 研究目标和主要工作13-15
• 第2章 四旋翼直升飞机动态模型建立15-28
• 2.1 四旋翼飞行器工作原理15-17
• 2.1.1 简介15
• 2.1.2 飞行原理15-17
• 2.2 飞行器姿态表示17-20
• 2.2.1 坐标系定义17-18
• 2.2.2 姿态角定义18
• 2.2.3 坐标转换矩阵18-20
• 2.3 系统模型20-26
• 2.3.1 飞行器线性模型建立21-23
• 2.3.2 飞行器非线性模型建立23-25
• 2.3.3 状态方程25-26
• 2.3.4 系统参数26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 四旋翼飞行器姿态控制器设计28-50
• 3.1 LQR控制28-33
• 3.1.1 LQR控制原理28-29
• 3.1.2 基于LQR的飞行器姿态控制器设计29-31
• 3.1.3 仿真实验31-33
• 3.2 Backstepping控制33-39
• 3.2.1 Backstepping控制原理33
• 3.2.2 基于Backstepping的飞行器姿态控制器设计33-35
• 3.2.3 稳定性分析35-36
• 3.2.4 仿真实验36-39
• 3.3 滑模控制39-44
• 3.3.1 滑模控制原理39
• 3.3.2 基于滑模控制的飞行器姿态控制器设计39-41
• 3.3.3 仿真实验41-44
• 3.4 仿真实验对比44-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 四旋翼飞行器半实物平台实物实验50-64
• 4.1 四旋翼飞行器半实物平台介绍50-51
• 4.1.1 系统组成50
• 4.1.2 系统控制软件50-51
• 4.2 实时控制实验51-63
• 4.2.1 LQR控制51-55
• 4.2.2 Backstepping控制55-57
• 4.2.3 Integral Backstepping控制57-63
• 4.2.3.1 基于Integral Backstepping的飞行器姿态控制器设计57-59
• 4.2.3.2 稳定性分析59
• 4.2.3.3 实物实验59-63
• 4.3 本章小结63-64
• 结论与展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间的论文及科研情况70

【参考文献】

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本文编号：257278