自抗扰控制的改进及其在四旋翼无人机上的应用

发布时间：2020-05-07 20:38

【摘要】：四旋翼无人机是一种通过无线电遥控设备或自备编程算法自行控制的不载人旋翼飞行器,因其结构简单、造价低廉同时具有垂直起降、空中悬停、低空飞行和原地回转等独特的飞行技能,能够适应多种多样的飞行环境,因而在军事和民用上都具有一般无人飞行器不可比拟的优势。但非线性、强耦合、欠驱动和模型不确定等特性给四旋翼无人机控制系统的设计提出了更高的要求。因此设计高效的四旋翼无人机控制系统具有重要意义。自抗扰控制器不依赖于被控对象的精确模型,并且能够实现解耦控制。在对抗外部扰动以及处理模型不确定性等方面具有较好品质。但传统自抗扰控制器中的扩张状态观测器为李雅普诺夫意义下的渐近收敛,收敛速度仍有提升空间。本文围绕四旋翼无人机的飞行控制问题展开研究,对传统自抗扰控制器进行合理改进并应用于四旋翼控制系统设计中。主要研究内容如下:首先,对四旋翼无人机的结构特点与飞行原理进行分析,考虑四旋翼无人机在实际飞行过程中受到的外界气动干扰,基于牛顿欧拉方法推导出六自由度四旋翼无人机数学模型。其次,对自抗扰控制方法进行阐述,对跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律三个重要部分进行分析,并且指出传统自抗扰方法的不足,同时提出改进方法。改进后的自抗扰控制器提高了传统自抗扰控制器对“总和扰动”的估计速度和精度,从而提升了自抗扰控制器整体的控制效率。再次,针对四旋翼无人机非线性、强耦合等特点,将系统内部耦合和外部扰动看作系统所受“总和扰动”,应用改进后的自抗扰控制方法设计了四旋翼无人机姿态控制器,通过该控制器实现了四旋翼无人机姿态角无稳态误差控制以及定高飞行。最后,结合PD控制器和改进型自抗扰控制器设计了双闭环四旋翼无人机轨迹跟踪控制器。位置环控制器采用简单有效的PD控制器,目的是通过目标位置和无人机所在位置的误差来产生跟踪指定轨迹所需的姿态角期望值。通过由改进型自抗扰控制器设计的姿态控制器来跟踪位置环产生的姿态角期望值,实现四旋翼无人机的轨迹跟踪控制。
【图文】：

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图１－２邋Ｃｏｖｅｒｔａｗｉｎｇ公司设计的四旋翼飞行器逡逑旋翼飞行器的研究受限于控制技术和材料技术，所，难以完成期望的飞行任务。之后的数十年里，四１世纪初期，随着控制技术，传感器技术，材料发展，四旋翼飞行器的研究再次进入人们的视野关注的热点。与早期的四旋翼飞行器相比，现阶甚至微型化，并且已经实现无人驾驶自主飞行。同特性上得到了优化。以下将介绍近十几年间国内人机研究案例。逡逑福大学的科研小组在Ｇａｂｒｉｅｌ邋Ｈｏｆｆｉｎａｎ教授的翼无人机工程，重点研究了多智能体协调控制的科研小组自主研发了四旋翼无人机控制电路，将

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逑！？，，＇赢邋＿逡逑图１＿３斯坦福大学ＳＴＡＲＭＡＣ邋１号和ＳＴＡＲＭＡＣ邋２号逡逑麻省理工学院航空学院的研究团队，在四旋翼无人机自主飞行领域的研宄也逡逑相对较早ｍ。该团队的研究项目主要集中于多个无人机的协同控制和基于图像视逡逑觉的飞行控制，其中该团队自主研发的Ｒａｖｅｎ系统采用多个小型四旋翼无人机通逡逑过安装在室内的多个摄像头来收集无人机的飞行动态信息，再通过地面站应用控逡逑制算法处理图像信息，并通过与地面站相连的遥控操控无人机。目前该团队己经逡逑实现了多架四旋翼无人机协同飞行以及对连续目标的搜索跟踪。逡逑／逦Ｉ逡逑ＩＳ，Ｋ．逦：、Ｕ逡逑图１－４麻省理工学院多机协同控制逡逑澳大利亚国立大学在自主研发的Ｘ－４邋Ｆｌｙｅｒ邋１的基础上，减轻了机身重量，逡逑优化了四旋翼的动力系统研制了新一代机型Ｘ－４邋Ｆｌｙｅｒ邋２［９］。该无人机的搭载了无逡逑线通信模块以及图像采集模块，且无人机的位姿控制算法完全由机载的飞行控制逡逑器独立完成。此外该团队采用将非线性系统线性化的方法
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1

【参考文献】