四旋翼飞行器系统建模与控制方法研究

发布时间：2020-03-21 09:49

【摘要】：四旋翼飞行器是目前应用最为广泛的小型无人驾驶飞行器,通过改变四个对称分布旋翼之间的转速来实现包括垂直起飞和着陆在内的多种飞行姿态。这类飞行器具有设计结构简易、操控简单、运动灵敏等特点。然而四旋翼飞行器是一个欠驱动系统,其控制系统设计具有一定的难度。四旋翼飞行控制系统包括姿态、速度和位置控制,其中姿态控制属于控制器中的核心内环,其稳定性和控制性能关系到整个四旋翼系统的飞行性能。四旋翼飞行控制系统的姿态控制器设计是当前学术界研究的热点问题,开展姿态控制算法的相关研究工作具有重要的学术研究价值。本文在查阅大量文献的基础上,在四旋翼姿态控制算法方面开展了深入的研究工作,具体如下:1.针对四旋翼的姿态控制问题,结合自适应算法及反步滑模算法设计了一种带扰动观测器的姿态控制器。首先根据Lyapunov稳定性判据设计了反步滑模控制律,并引入积分自适应律来克服模型的参数扰动以及系统外部干扰。针对系统的不确定干扰,其扰动值的边界问题往往难以估计,对此本文设计了一种扰动观测器。对不可测扰动进行了实时估计,提高了系统的抗干扰能力。最后在MATLAB/Simulink平台下进行了仿真分析,验证了本文所设计的控制器具有更好的鲁棒性。2.结合四旋翼多输入和多输出的特征,设计了基于模型预测控制算法的姿态控制器。预测控制算法具有天然的解耦能力,能够有效的处理变量之间的耦合影响。本文采用了基于状态空间模型的线性预测控制算法,针对四旋翼非线性模型设计了围绕每个状态点做线性化的处理方法,尽量保留系统参数间耦合关系减少了模型的失配。为了保证无偏跟踪,对模型做增量扩展,将输出等信息加入到状态,并通过卡尔曼滤波算法进行状态反馈校正。该控制器参数调节灵活简单,可以匹配目前主流硬件平台的运算能力,最后在MATLAB上验证了算法有效性。3.根据经典无人机系统结构进行了四旋翼飞行器的整体架构设计,包括机架、动力系统与地面站等指挥控制系统的选型与安装等,最终搭建了四旋翼飞行器实验平台。然后设计了经典的串级PID控制器实现了飞行器的总体控制,包括外环位置控制与姿态内环控制。最后在实物平台上进行了飞行测试,经测试所搭建的实验平台可以实现良好运行,满足控制效果。可为后续的先进算法验证提供物理平台。
【图文】：

逦杭州电子科技大学硕士学位论文逦逡逑性是十分必要的。开展关于四旋翼的相关研宄工作，设计出高效的控制算法以及姿态控制器逡逑等创新研究工作，对我国飞行器发展具有重要意义。逡逑１．２四旋翼飞行器的研究现状逡逑１．２．１四旋翼飞行器发展历程逡逑四旋翼飞行器的历史最早可以追溯到上个世纪初，在过去的１００多年里，，四旋翼飞行器逡逑经历了多代的设计与改进。早在１９０７年，来自法国的Ｂｒｅｇｕｅｔ兄弟在Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｒｉｃｈｅｔ教授的逡逑指导下运用空气动力学原理设计完成了世界上首架四旋翼飞行器［９］。如图１．１所示，因设计逡逑中并没有考虑各个电机的转速控制，也没有使用相关的控制方法，最终该飞行器进行飞行试逡逑验时在空中仅飞行了邋１．５米，但这是记录的四旋翼飞行器的最早构型。逡逑

图I.ZDIBoIFI乙时飞行
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249.1

【参考文献】

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本文编号：2593153