四旋翼飞行器的鲁棒与容错控制系统研究

发布时间：2020-08-03 06:28

【摘要】：由于四旋翼飞行器本身是典型的欠驱动、强耦合、时变、有操作滞后的非线性系统,开发四旋翼飞行器控制系统是一个颇具挑战性的任务。在实际飞行试验中,四个执行器部分失效最为频繁。为了使四旋翼飞行器在有扰动和发生故障时能稳定飞行,本文设计了一种鲁棒与容错飞行控制系统。首先总结了四旋翼飞行器的研究现状与发展前景。接着分析了四旋翼飞行器机械结构和飞行原理,采用牛顿-欧拉方程的方法建立四旋翼飞行器的全状态非线性数学模型,主要包括飞行器的姿态模型、水平位置模型和高度模型。然后再用小扰动线性化方法,将四旋翼飞行器非线性模型解耦成三个线性子模型,为后面的控制器设计打下基础。同时,分析并建立了四旋翼飞行器的执行器故障模型。针对四旋翼飞行器在实际飞行过程中会有噪声干扰和参数不确定性的情况,采用了模型预测控制的算法设计四旋翼飞行器的鲁棒控制系统。传统的预测控制需要在线优化,因此需要较大的计算量,于是引入的显式预测控制(EMPC)算法将在线优化问题离线化,在线控制时只需要查找相应的控制区域,通过简单地计算就可以得到控制量,因此,该算法非常适合在嵌入式系统上实现。在第二章建立的三个线性模型的基础上设计了姿态控制器,水平位置控制器和高度控制器,并在仿真平台上对所设计的三个控制器进行和传统PID对比的仿真实验分析,结果表明EMPC控制器针对噪声干扰和模型参数不确定的情况有很好的鲁棒性。为了保证四旋翼飞行器在实际飞行过程中发生执行器故障时仍然能够保持稳定飞行,将第三章设计的鲁棒控制系统与时延控制(TDC)相结合用于四旋翼飞行器的容错控制系统。利用时延算法通过一步状态迭代消除故障对系统的影响。通过仿真实验分析了控制器的性能,仿真结果表明,设计的控制系统在执行器部分失效故障情况下的容错控制具有良好的控制性能。最后在有物理引擎的Gazebo环境下仿真实验,进一步说明了算法的有效性和可行性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249.1
【图文】：

固定翼飞行器示意图和旋翼式飞行器示意图

MIT搭载深度摄像头的四旋翼飞行器

(a)大疆“御”Mavic2和(b)精灵4及地面站

【参考文献】

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1 方璇;钟伯成;;四旋翼飞行器的研究与应用[J];上海工程技术大学学报;2015年02期

2 高应杰;陈鼎新;李荣明;;小型四旋翼无人飞行器控制算法研究[J];计算机与现代化;2011年10期

3 马广富;姜野;胡庆雷;;卫星姿态时延反步容错控制[J];航空学报;2010年05期

4 姜野;胡庆雷;马广富;;航天器时延自适应变结构容错控制[J];控制与决策;2010年05期

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1 亓岳鑫;四旋翼无人机控制系统的设计与实现[D];哈尔滨工业大学;2018年

2 章志诚;基于ADRC的四旋翼飞行器自主避障控制系统研究[D];浙江大学;2017年

3 宁鑫;四旋翼无人机控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

4 潘旭;一类时滞系统的容错控制及其在四旋翼飞行器中的应用[D];南京航空航天大学;2017年

5 刘同其;四旋翼飞行器非线性容错控制方法研究[D];燕山大学;2016年

6 赵t

本文编号：2779245