面向控制的飞行机器人闭环辨识建模研究

发布时间：2020-09-28 11:01

　　基于四旋翼的飞行机器人是一种可垂直起降、悬停以及快速改变航向的非载人飞行器,它结构简单、机动灵活、隐蔽性强,具有重要的军事和民用价值,是目前国际上的研究热点之一。同时,四旋翼飞行器系统是一个具有非线性、欠驱动和强耦合特性的不稳定系统,为实现对小型四旋翼飞行器的稳定控制,必须建立准确的数学模型,然而四旋翼飞行器由于复杂的气动特性导致获得准确的数学模型相当困难。本文以一架自己组装的小型四旋翼飞行器为研究对象,分别在数学建模和飞行控制等方面开展了一系列研究工作。首先,介绍了小型四旋翼飞行器的基本结构,分析了几种常见的飞行模式。在大地坐标系和机体坐标系下,利用牛顿-欧拉定理和坐标转换原理,对四旋翼飞行器这种6自由度刚体进行运动学和动力学建模分析,并充分考虑飞行过程中的陀螺效应和耦合特性,详细推导并建立了四旋翼飞行器的全状态非线性理论模型。在MATLAB/Simulink中采用PID控制方法对该模型进行了闭环控制仿真实验,充分认识了四旋翼飞行器的非线性、强耦合和欠驱动特性,充分理解了四旋翼飞行器的飞行原理和运动规律。然后,根据四旋翼飞行器的基本结构,对其进行了整体硬件方案设计,本着经济实用的原则对元器件完成了选型和采购,组装了一架满足实验要求的小型四旋翼飞行器。基于四元数算法和多传感器数据融合算法设计了姿态解算的软件方案,得到了四旋翼飞行器的实际飞行姿态。根据经典PID控制策略,对四旋翼飞行器设计了飞行控制系统,实现了内环角速度和外环姿态角的串级PID控制。设计了四旋翼飞行器的数据采集系统和飞行状态监测平台,完成了四旋翼飞行器的实际飞行实验和飞行数据的采集,为接下来的辨识建模提供数据支持。紧接着,针对四旋翼飞行器这种开环不稳定系统,从系统辨识的基本原理和一般步骤出发,在经典最小二乘算法的基础上选择了递推最小二乘辨识算法作为闭环系统参数估计的方法,该方法迭代速度快,具有明确的物理意义。利用小扰动原理对第二章建立的四旋翼飞行器的非线性理论模型进行简化和解耦处理,对驱动电机的模型进行简化,构造了姿态通道的离散辨识模型集。设计闭环辨识实验,利用遥控器给飞行器进行手动扫频信号,分别采集了三个姿态角通道的输入、输出数据。利用选择的辨识算法和实验数据分别对三个姿态角通道进行了辨识建模,得到了四旋翼飞行器姿态通道的离散传递函数模型,并利用相同条件下的试验数据验证了辨识模型的准确性。最后,在常规控制器下,针对四旋翼飞行器在室外飞行实验中的漂移和振动等问题,基于Lyapunov稳定性理论设计了模型参考自适应控制器。根据四旋翼飞行器的理论模型将控制问题划分为两个子任务,选择模型参考自适应控制方法分别对两个子任务进行控制的设计,通过构造Lyapunov函数,证明了系统的稳定性,得到了自适应控制律;在MATLAB/Simulink中对所设计的模型参考自适应控制方法进行仿真实验,并与第三章的PID控制方法进行了对比分析。仿真结果表明,在相同的飞行环境和飞行指令下,自适应控制器能很好的抑制四旋翼飞行器的漂移和震动,对飞行器的姿态稳定性能和特定轨迹的跟踪性能要明显优于PID控制。从而为自适应控制在四旋翼飞行器上的工程实际应用奠定了理论基础。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V279;V249.1
【部分图文】：

旋翼飞行器,无人机

飞行机器人（Flying Robot）也称为无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是指一种搭载动力装置和控制系统，通过地面遥控器指挥或自主飞行，并可以重复使用的非载人飞行器[1]。飞行机器人的种类繁多，总的来讲可以分为固定翼无人机、旋翼无人机和无人飞艇。与载人飞行器相比，无人机具有结构简单、携带方便、维护成本低、隐蔽性强等优点，一直是国内外航空领域学术研究的热点话题[2]。无人机的发展最早可以追溯到 20 世纪初，当时欧美一些军事强国为了在战争中减少损失和降低伤亡开始研制大型作战无人机用于火力部署，后来随着科学技术的发展，无人机的军事用途更加广泛，比如用于获取敌方情报、地面战场侦查、监视、电子干扰和火力精确打击等，并且在科索沃战争和一些局部冲突中扮演了相当重要的角色[3]。近年来，随着嵌入式微控制技术、微传感器检测技术、控制理论、新型材料、移动网络技术以及机械电子技术的迅猛发展，微型、小型无人机逐渐成为科学研究的重点，在当今社会中有着越来越广泛的应用，其中最具典型的代表是四旋翼飞行器（Quadrotor）[4-5]如图 1.1 所示，它不但在军事领域应用广泛，而且在民用方面更是得到了消费者的青睐比如可以用于自然灾害之后的救援、农作物育植、物流运输、航拍等。

旋翼,旋翼飞行器

1.2 四旋翼飞行器的国内外发展状况1.2.1 四旋翼飞行器的国外发展现状国外对四旋翼飞行器的研究最早始于 20 世纪初，1907 年，法国的 Bréguet 兄弟设计并制造了历史上第一架四旋翼载人飞行器 Breguet-Richet No.1[13]。如图 1.2 所示，该飞行器的机身是由 4 根很长的焊接钢管支架呈水平十字交叉组成，四个旋翼由直径 8.1m的双层桨叶组成，机体总重 375kg。由于受到当时自动控制和微电子等技术条件的限制，该飞行器在没有飞行控制系统的作用下，仅进行了简单的离地起飞试验，飞行效果并不理想，但这种创新的设计思想却为四旋翼飞行器的发展开创了先河。1922 年，受美国军方委托，俄裔美国人 George De Bothezat 开发出了真正意义上的四旋翼载人飞行器，称作“飞天章鱼”[14]。如图 1.3 所示，该飞行器的每个旋翼由 6 个直径为 8.1m 桨叶组成，机体总重 1633kg，在之后上百次的飞行试验过程中，该机成功离地起飞 4.6m 高，并在空中徘徊了一分钟，但由于结构复杂，过于笨重，飞行员很难实现一个稳定的飞行控制，而且造价昂贵，最终美国军方不得已而放弃该项目。

章鱼,旋翼,旋翼飞行器

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