四旋翼无人机多率控制与路径规划算法设计

发布时间：2020-10-08 15:18

　　随着信息化时代的来临,高科技战场正在兴起。四旋翼无人机凭借体积小,灵活,隐蔽性强等优点迅速应用在各行各业中。在错综复杂的环境中,四旋翼无人机的控制算法以及路径规划算法显得尤为重要。所以本文主要工作分为以下两部分:首先,本文针对四旋翼无人机飞行过程中的非线性动力学模型,结合Backstepping控制算法的优势,考虑离散时间系统模型,本文设计了基于多率采样的Backstepping控制器,闭环系统的稳定性可由Lyapunov方法来保证。该控制器的优势非常明显:与常规的离散采样控制器相比,本文设计的基于多率采样的Backstepping控制器是在每一个采样区间内进行多次改变,计算机接收到的信息更加接近被控系统的实时信息,使得控制精度更高;在不改变控制器性能的前提下,相比于常规的离散采样,多率采样的Backstepping控制器允许更大的采样周期。这意味着,在相同的控制精度精度要求下,降低了计算机控制系统的造价成本。其次,针对传统人工势场法在四旋翼无人机路径规划设计中的两个缺陷问题——目标不可达和陷入局部极小值,本文通过在斥力函数中引入调节因子,设计了新的路径规划算法,保证了无人机在靠近目标点的时候,引力减小的同时,斥力也在减小,从而使得无人机可以顺利到达目标点;当无人机在地图中陷入局部极小值点时,我们通过在地图中建立一个虚拟目标点,从而使得该点产生新的引力,打破原有的“受力平衡”状态,进而使得无人机“逃离”局部极小值点。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279;V249.1
【部分图文】：

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人机的研发时代正式开始。学者们对多旋翼无人机的研究起源于二十世纪初，法国工程师 étienne Oehmichen 在二十世纪二十年代设计了一款多旋翼无人驾驶飞行器（如图1.2所示），遗憾的是，由于由四个旋翼旋转产生的升力比机器的重力还小导致第一次试飞失败，经过重新设计后，这架多旋翼飞机成功起飞并完成了长达 14 分钟的飞行，创下了当时直升机自主飞行领域的世界纪录[6]。1922 年，George de Bothezat 博士和 Ivan Jerome 博士受美国俄亥俄州空军委托，在其空军基地设计并制造了一架大型四旋翼飞行器（如图1.3所示），但是由于发动机性能较差等诸多因素，美国空军不得不放弃了研究多旋翼飞行器的战略规划[7]。1956 年，由 Convertawings 公司在纽约Amityville 设计并制造了一架大型四旋翼直升机——Convertawings Model “A”（如图1.4所示）

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1.3 George de Bothezat 设计的大型四旋翼飞 1.4 Convertawings Model “A”四旋翼直升人员对无人机进行研发的平台，因此被学以及美国波音科技公司[12]等许多研备 10 个传感器（包括 3 个加速度测压测量器），可以依靠控制软件来确定

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图 1.4 Convertawings Model “A”四旋翼直升机个适合研究人员对无人机进行研发的平台，因此被麻省理工学康考迪亚大学以及美国波音科技公司[12]等许多研究机构采用anflyer X4 配备 10 个传感器（包括 3 个加速度测量计，3 个角

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