无人机飞行控制方法研究与设计

发布时间：2020-10-28 11:41

　　 无人飞行器行业的蓬勃发展是中国崛起,中国航空产业崛起的一大重要体现。无人机已经开始广泛应用于部分军、商、工、农以及日常活动中,其中四旋翼无人飞行器是各类型无人机中极具代表性的一种。然而随着无人机普及程度的加深,其出现故障导致事故的严重程度会随之放大,尤其以控制器故障最为突出。因此,控制器的故障诊断以及结构健康管理等相关课题开始受到重视。为了给故障诊断和结构健康管理提供正确的数据样本,得到准确的诊断结果,同时也为了提高控制器性能,从根本上减少其故障发生的几率,给无人机的稳定运行提供保障,论文以四旋翼无人机为研究对象,开展了以姿态控制为核心的飞行控制方法研究。针对四旋翼无人机这种二阶非线性、高耦合、欠驱动系统,文章首先采取牛顿-欧拉方程建立了动力学模型和控制模型,然后基于传统反步控制方法改进设计了二次PID反步控制器,接着在此基础上引入滑模控制方法设计了反步滑模控制器,最后结合分数阶微积分理论设计出分数阶饱和函数反步滑模控制器。三种控制器均在李雅普诺夫定理下和MATLAB/SIMULINK仿真实验中得到了稳定性和有效性证明,其三者之间的关系以及性能好坏也在文章中进行了详细的比较和分析。在仿真实验中,反步控制器能使被控状态在两秒左右的时间内达到期望值并保持稳定。此外,实验表明反步高度控制器稳定特征点的值约等于无人机实际受到的重力,这证明了该控制器快、准、稳且符合实际的特点。在抗扰动实验中,反步滑模控制器通过调整符号函数的系数ε,在同一扰动情况下,相对于反步控制器,最高能降低95%由扰动引起的状态偏离,证明滑模控制方法的引入,确实能够提高控制器对扰动的鲁棒性。而分数阶饱和函数反步滑模控制器则能够通过引入分数阶饱和函数,在提高25%的有效响应速度的同时,还能几乎100%地抑制由滑模控制方法带来的系统抖颤,进一步提高了控制器的性能。最后的位置跟踪实验中,论文设计的分数阶饱和函数反步滑模飞行控制系统能将耦合性较强的x和y方向的误差控制在5%以内,z方向耦合性较弱,其误差则能控制在0.3%以内,这证明了论文设计的飞行控制系统的有效性和正确性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V279;V249.1
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文研究目标和章节安排
第二章 四旋翼无人机原理分析与模型建立
    2.1 四旋翼无人机机械结构
    2.2 四旋翼无人机飞行原理
        2.2.1 升力原理
        2.2.2 飞行原理
    2.3 四旋翼无人机完整数学模型的建立
        2.3.1 坐标系的建立
        2.3.2 泰特布莱恩角
        2.3.3 描述姿态变化的方法
        2.3.4 完整数学模型
        2.3.5 控制模型的确定
    2.4 本章小结
第三章 基于反步控制方法的四旋翼无人机飞行控制器设计
    3.1 反步控制方法
        3.1.1 反步控制方法基本原理
        3.1.2 稳定性分析
    3.2 基于反步控制方法的四旋翼无人机飞行控制器设计
        3.2.1 基于反步控制方法的姿态控制器设计
        3.2.2 基于反步控制方法的位置控制器设计
    3.3 基于反步控制方法的飞行控制器仿真实验与结果分析
        3.3.1 姿态控制器实验
        3.3.2 高度控制器实验
    3.4 本章小结
第四章 基于反步滑模控制方法的四旋翼无人机飞行控制器设计
    4.1 滑模控制方法
        4.1.1 滑模控制方法的基本原理
        4.1.2 滑模控制方法的稳定性分析
    4.2 基于反步滑模控制方法的四旋翼无人机飞行控制器设计
        4.2.1 基于反步滑模控制方法的姿态控制器设计
        4.2.2 基于反步滑模控制方法的位置控制器设计
    4.3 基于反步滑模控制方法的飞行控制器仿真实验与结果分析
        4.3.1 姿态控制器实验
        4.3.2 高度控制器实验
        4.3.3 反步控制方法与反步滑模控制方法抗干扰对比实验
    4.4 本章小结
第五章 基于分数阶饱和函数反步滑模控制方法的四旋翼无人机飞行控制器设计
    5.1 分数阶微积分理论
        5.1.1 分数阶符号函数的功能有效性分析
        5.1.2 分数阶趋近律的可达时间分析
        5.1.3 分数阶系统的稳定性分析
    5.2 基于分数阶反步滑模控制方法的飞行控制器设计
    5.3 基于分数阶反步滑模控制控制器仿真实验与结果分析
        5.3.1 分数阶反步滑模控制器仿真实验
        5.3.2 饱和函数替代符号函数的反步滑模控制器仿真实验
        5.3.3 分数阶饱和函数替代符号函数的反步滑模控制器仿真实验
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 全文工作总结
    6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果

【参考文献】

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本文编号：2860041