基于渐近法的多旋翼无人机的多变量辨识与控制研究

发布时间：2020-05-03 15:10

【摘要】：四旋翼飞行器是多旋翼无人机中的一种,具有机动性强、成本低等优点,近些年广泛应用在军事侦察、环境监测、交通监管、灾难搜救等领域,也一直是众多研究机构的研究热点。随着编队协同飞行等复杂问题的研究,对飞行器控制性能提出了更高要求。四旋翼飞行器由于具有耦合性、欠驱动、非线性等特点,精确的机理模型获得较为困难,为提高控制品质,本文将采用系统辨识的方法对四旋翼系统进行建模,并设计H∞控制器提升控制性能。本文的主要研究内容和贡献概括如下:(1)使用多变量渐近辨识法的理论框架,完善之前有关多旋翼辨识与控制成果。保证系统稳定的前提下设计闭环辨识实验,利用满足持续激励条件的数据对四旋翼姿态模型进行多变量辨识建模与分析。考虑辨识模型的误差与不确定性因素,基于线性矩阵不等式(LMI)方法求解设计姿态角速度多变量H∞控制器,并通过飞行实验比较对应的控制效果。与原本的控制器相比,姿态角速度跟踪误差降低了40%左右。(2)四旋翼系统是串级控制结构,姿态和位置控制合计共有四个回路。给出一种基于串级结构的H∞控制器设计方法,借助辨识实验,使主副回路辨识数据均满足持续激励条件,完成串级结构中的辨识建模和控制器设计。采用此思路对四旋翼姿态角模型和位置模型进行了多变量辨识建模与控制,通过飞行实验结果表明,姿态角与位置的控制品质有不错的提升。(3)考虑四旋翼姿态模型的非线性特性,使用线性参数可变(LPV)模型对四旋翼姿态角速度模型进行辨识建模。以姿态角作为调度变量,辨识得到不同姿态角范围的线性模型作为子模型,再通过迭代优化加权函数及子模型参数获得LPV模型。然后,利用LPV模型的顶点性质,为四旋翼姿态模型设计了增益调度H∞控制器。通过仿真实验表明,与线性H∞控制器相比,姿态环的控制品质得到了一定的提升。
【图文】：

旋翼飞行器,无人机,旋翼

用在商业航拍、环境监测、交通监管、灾难搜救等民用领域，因此近些年小型无逡逑人机一直受到了众多研究机构的关注。逡逑如图１．１所示，根据飞行原理和驱动模式等不同特性，可以将无人机分成不逡逑同类型，常见的无人机主要分为旋翼无人机与固定翼无人机。两者都是依靠空气逡逑动力提供飞行所需的力和力矩，但完全不同的运动机制决定两类无人机具有各自逡逑不同的特点。固定翼无人机的优点是能量转换效率高，飞行速度快，可负载能力逡逑强，适用于长时间的飞行任务。与之相比，旋翼无人机可操作性强，机动性好，逡逑能完成悬停，垂直起降等任务，因此对工作环境要求比较低。旋翼无人机的发展逡逑相对晚一些，但随着传感器和自动化等领域技术的不断发展，旋翼无人机的发展逡逑速度也越来越快，，并逐渐拓宽应用领域。逡逑旋翼无人机又可分为单旋翼无人机与多旋翼无人机

原理图,旋翼,箭头,转速

１．２（ｃ）所示，同时增加或降低旋翼转速可使飞行器进行垂直方向的运动。当向上逡逑升力等于重力时，机体则保持悬停状态，当升力大于重力时上升，反之下降。如逡逑图１．２（ｄ）所示，如果增加２号旋翼的转速同时减少４号旋翼的转速，可以令四逡逑旋翼产生旋转力矩，致使机身姿态变化并侧向运动（横滚方向），同理改变１号逡逑和３号旋翼的转速则可以实现机体的前向运动（俯仰方向）？当（１，邋３）旋翼和逡逑（２，４）旋翼转速分别保持相同，但两组旋翼的转速不同而产生不同的反扭矩时，逡逑四旋翼将，如图１．２（ａ）（ｂ）所示，围绕机体中心做自转运动（偏航方向）｜４，９，１２］。逡逑＾邋２邋＆邋４逡逑ｗ逦Ｗ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑？１０逦磐逡逑Ａ＼３逡逑ｙ逦＿逡逑（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．２四旋翼原理图：白色箭头宽窄表示对应旋翼的转速快慢，黑色箭头指向运动方向逡逑四旋翼常见的配置结构有两种，‘Ｘ’形结构（如图１．３所示）和‘十’形结逡逑构（如图１．４所示）。主要区别在于机头方向选取不同，‘Ｘ’形结构四旋翼更加逡逑稳定
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249.1

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