基于ESO的四旋翼无人机积分滑模控制策略研究

发布时间：2020-07-07 03:21

【摘要】：随着机器人以及人工智能产业的蓬勃发展,已经有越来越多的飞行器(UAVs,unmanned aerial vehicles)应用到工业活动以及人们的日常生活当中,这些无人机驾驶机器人当中最有代表性的就是四螺旋桨飞行器。四个由直流无刷电机驱动的螺旋桨为飞行器提供动力,具有灵活、可操作性强的特点,同时,四螺旋桨飞行器是需要控制的状态量的数量小于控制输入的数量、且可以控制的状态变量数量较多、一个状态量的变化会导致其他状态量的变化的综合非线性系统,研究清楚了四螺旋桨飞行器对控制理论的发展意义较大。在这篇学位论文里面把四螺旋桨飞行器现在的市场应用,遇到的问题和研究难点从源头到如今都整理分析了一遍,并以坤色公司提供的无人机实际飞行实验平台为研究对象,进行了建模,并提出了一种基于ESO的积分滑模控制策略,主要有以下几个方面的内容:第一,因为四螺旋桨飞行器的需要控制的状态量的数量小于控制输入的数量、且可以控制的状态变量数量较多、一个状态量的变化会导致其他状态量的变化的特性,推导出飞行器的数学表达式比较困难。本文分析了了四螺旋桨飞行器的几种常规受力情况分析:在空中定点不动,垂直向上飞或向下飞,在空中前后以及左右以及水平偏转运动,然后建立地球参考位置和飞行器飞行器参考位置来对飞行器进行受力分析并把它当成一个不会受外力而改变形状的物体,计算出它的非线性表达式。其次,设计四螺旋桨飞行器的ADRC姿态控制器。在分析了跟踪微分器原理的基础上,推导了系统输入的最速控制综合函数公式;然后分析了扩展状态观测器的算法原理,推导了该公式。基于ADRC的姿态控制器由飞行器各通道的解耦模型设计。通过Matlab/Simulink仿真比较了分别使用自抗扰控制器和PID控制器时四螺旋桨飞行器轨迹跟踪的效果。再次,结合滑模控制技术和自抗扰控制技术的思想,提出了基于ESO的积分滑模控制策略。首先分析了滑模控制的原理与特性,针对SMC无法在趋近过程提供鲁棒性的问题引出了积分滑模控制思想,推导了积分切换面和积分滑模控制器的公式。针对切换面符号函数的系数太大会导致抖振现象的问题,利用扩张状态观测器补偿系统中的总扰动,进一步提高ISMC控制器的鲁棒性。通过仿真比较了LQR控制器、ISMC控制器和ESO-ISMC控制器在受到额外干扰条件下的控制效果。第四,在Qball-X4实验平台进行实际飞行实验,验证本文所提出算法的有效性。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249.1
【图文】：

3图1.1 威斯康星麦迪逊的HMX4 图1.2 佐治亚理工学院的Mesicopter加州理工学院针对多智能体的一致性问题和协同控制问题利用自己生产的MIT 飞行器实现了协同控制。并利用图论中的生成树相通等理论证明了这个一致性系统的稳定性与可达到性，并对飞行轨迹进行规划。这个由多智能体系统构成的飞行器系统已经可以完成多项任务，例如联合救援，森林火灾的探索与扑灭，空中特技飞行表演等[19]。我国研究四螺旋桨飞行器比外国晚了一段时间，但近些年学习海外高校与研究所的新论文和大学研究师生的努力科研，也做出了很多不错的成绩。国防科技大学在 2004 年开始建设四螺旋桨飞行器的科研实验室，在 06 年底基本完成原型样机设计，并了做出了基于 Backstepping 和 ADRC 的用于多螺旋建飞机的飞行控制系统[20,21]，还使用率多信息融合的扩展卡尔曼滤波算法对姿态角进行状态估计[22]。随后华中科技大学

3图1.1 威斯康星麦迪逊的HMX4 图1.2 佐治亚理工学院的Mesicopter加州理工学院针对多智能体的一致性问题和协同控制问题利用自己生产的MIT 飞行器实现了协同控制。并利用图论中的生成树相通等理论证明了这个一致性系统的稳定性与可达到性，并对飞行轨迹进行规划。这个由多智能体系统构成的飞行器系统已经可以完成多项任务，例如联合救援，森林火灾的探索与扑灭，空中特技飞行表演等[19]。我国研究四螺旋桨飞行器比外国晚了一段时间，但近些年学习海外高校与研究所的新论文和大学研究师生的努力科研，也做出了很多不错的成绩。国防科技大学在 2004 年开始建设四螺旋桨飞行器的科研实验室，在 06 年底基本完成原型样机设计，并了做出了基于 Backstepping 和 ADRC 的用于多螺旋建飞机的飞行控制系统[20,21]，还使用率多信息融合的扩展卡尔曼滤波算法对姿态角进行状态估计[22]。随后华中科技大学

四螺旋桨飞行器控制原理器建模的准确性是研究先进的改善飞个常用参考位置的定义，地球参考位方面进行推导公式，计算出飞行器的旋桨飞行器行器是由 Quanser 公司研制的 Qball器被一圈网状结构保护着，有着碳原飞行器撞到人或者建筑物内的东西对行器的正中心为飞行器控制系统硬件于每个支架臂的中点，且离飞行器中供升力进行飞行。

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本文编号：2744573