基于反步滑模法的系留式无人机轨迹跟踪控制研究

发布时间：2020-04-16 02:31

【摘要】：系留式多旋翼无人机系统是无人机在工程应用领域中的特殊种类,其主要用于环境监测、边界侦查、火灾防控、电能传输线路监测等。该系统通过线缆将地面移动载车平台上产生的电能供给无人机使用,解决了传统多旋翼无人机续航时间短的弊端,拓宽了无人机的使用场景。然而该种类无人机国内的研究成果较少,且研究人员将研究重点主要集中在装置结构上的改进,对系留线缆的受力情况,无人机的抗干扰能力等方面研究较少。由于机动状态下无人机还需对地面平台实现跟踪,目前也很少涉及将系留式无人机运用于跟踪的研究。本文从动力学模型和轨迹跟踪两个方面对系留式无人机平台进行了设计与分析,通过使用微元法,对系留线缆受力情况进行分析,构建系留式无人机动力学模型。针对系留无人机系统在受到未知扰动的影响下,存在抗干扰能力弱、控制精度不高的问题,本文采用反步滑模法对无人机控制器进行设计,使系留式无人机系统能够较精确地实现对预设轨迹的跟踪飞行。本研究的主要研究工作如下:1)本系统通过使用基于VICOR模块设计的机上电源模块、电源转换装置、发电机等设备,实现由地面向无人机供电,然后对地面移动平台以及机上部分的各零部件进行优选,参数计算,完成系留无人机平台的总体设计,最后通过悬停控制飞行实验,证明系统可实现稳定运行。2)在无人机受到系留线缆的影响下,本文使用横流原理对线缆的微元段进行分析,求出线缆受到风阻影响时的阻力大小,然后使用微元法对绳上张力进行分析,解出线缆对无人机造成的拉力大小,然后在普通四旋翼无人机的动力学模型基础上,将系留无人机受到的线缆作用力考虑进来,对模型加以改进,从而构建出系留式无人机动力学模型。3)针对多旋翼无人机非线性、耦合性强等特点,使用反步滑模法设计控制器,并与经典的反步控制方法进行对预设轨迹的跟踪控制仿真对比分析,最终结果表明,该方法可以在更短的时间内到目标位置,跟踪效率更高,且超调量更小。综上所述,本文所搭建的系留式无人机平台基本能满足试验要求,且该平台使用的跟踪方法具有一定的优越性,可为后续系留无人机的研究提供一定的参考。
【图文】：

旋翼机

设计了一种可在室内狭小环境下，实现避障、悬停、目标跟踪的四旋翼无人逡逑机［１＼同时，还使用了多架相同规格的无人机，完成了预设轨迹的编队飞行任务，逡逑如图１．２所示。该团队采用了红外传感装置和视觉处理技术，来协助惯导元器件逡逑进行位置、角度测量，最终取得了理想的控制效果。２００７年，麻省理工学院（Ｍ逡逑ＩＴ）针对四旋翼无人机进行了无人机集群健康管理计划（ＵＡＶ邋Ｓｗａｒｍ邋Ｈｅａｌｔｈ邋Ｍａ逡逑ｎａｇｅｍｅｎｔ）邋＾１９］，其主要研究内容是通过地面控制平台，实现多无人机协同合作逡逑的任务，研制出的无人机通过惯性导航元件对测量到的位置信息进行反馈，，并对逡逑周围环境感知，对激光扫描阵列进行重建后，完成规划航迹，最终实现了在一台逡逑地面控制端，对多架四旋翼无人机进行协同控制的效果，同时实现了对地面车辆逡逑目标进行跟踪，还实现了多架无人机按预设编队飞行的实验。美国Ｓｔａｎｆｏｒｄ大学逡逑的Ｉｌａｎ邋Ｋｒｏｏ开发了一种体型非常小的四旋翼无人机，其尺寸只有１６Ｘ１６ｍｍ，其逡逑结构为对称的正方向

宾夕法尼亚大学,旋翼,无人机

■邋－ｆ．逡逑图１．１旋翼机１号逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｂｒｅｇｕｅｔ－Ｒｉｃｈｅｔ邋Ｇｙｒｏｐｌａｎｅ邋Ｎｏ．邋１逡逑随着相关研究领域，包括控制理论，传感技术，材料技术等研究成果的不断逡逑突破，解决了无人机在控制，制造，测量等方面的诸多难题。而多旋翼固有的优逡逑点，使得许多研究人员的目光重新聚集在它的身上，因此，多旋翼无人机有了突逡逑飞猛进的发展。逡逑由瑞士洛桑联邦科技学院研发出名为ＯＳ４的小型四旋翼无人飞行器，能够实逡逑现室内及室外的自主飞行控制，在四轴测试平台上，其采用了经典ＰＩＤ、反步控逡逑制等多种算法［１５］来实现飞行姿态的控制，并在室内和室外进行了飞行实验，对其逡逑稳定性、跟踪效率、自主悬停精度都进行了测试。宾夕法尼亚大学的ＧＲＡＳＰ团逡逑队，设计了一种可在室内狭小环境下，实现避障、悬停、目标跟踪的四旋翼无人逡逑机［１＼同时
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249.1

【参考文献】