四旋翼无人机轨迹跟踪与避障控制研究

发布时间：2020-11-15 20:34

　　 四旋翼无人机由于其优秀的灵活性与机动能力,受到了众多研究人员的青睐。在许许多多工程师与学者的共同努力下,四旋翼无人机已经广泛应用于军事侦察、警用巡逻、农业考察、娱乐航拍与物流运货等众多领域。而由于四旋翼无人机具有欠驱动、强耦合、非线性等特点,使得其控制问题较为困难。在四旋翼无人机控制中,轨迹跟踪与避障着陆具有非常重要的实际意义,针对这两个方向,本文主要开展以下几个方面的研究:分析四旋翼无人机工作原理后,建立了无人机系统的数学模型。通过对数学模型的处理,建立了姿态环与位置环的联系,通过设置虚拟控制量解决了四旋翼欠驱动的问题,为后面设计控制器打下了基础。针对四旋翼无人机的轨迹跟踪控制问题,考虑到四旋翼无人机内外环对控制需求的不同,分别对内环设计了有限时间终端滑模控制器,对外环设计了PID控制器。考虑到线速度不可测,设计了有限时间观测器对速度信息进行估计,并设计了微分跟踪器对期望信号进行过渡。在此基础上,对内环的终端滑模控制器进行了改进,用多幂次趋近律替代传统的指数趋近律,加快了系统状态的收敛速度;对外环控制器采用非线性组合的方式,加快了位置跟踪误差的收敛;为了补偿干扰对控制器的影响,设计了扩张状态观测器,对外部干扰及模型不确定性进行估计并进行补偿,以保证系统的鲁棒性。针对四旋翼无人机轨迹跟踪误差约束问题,位置跟踪误差在某些情况下需要约束在特定范围内以保证飞行的安全性,设计了两种控制策略。首先基于障碍Lyapunov函数,并结合反步法对位置环控制器进行设计,利用障碍Lyapunov函数在靠近边界时趋向于无穷大的特点,对四旋翼无人机的位置误差进行了约束;进一步地,考虑到边界可能随位置的不同而变化,基于预设性能方法设计了位置控制器,利用已知函数对约束界进行描述,使跟踪误差满足预先设定的条件。针对四旋翼无人机避障着陆控制问题,考虑障碍物信息已知的情况,基于人工势函数法设计了高斯势函数避障控制器,利用高斯势函数描述障碍物的排斥能力,保证四旋翼无人机能够对障碍物采取规避行为。进一步地,考虑到高斯函数无法准确描述障碍物边界信息,受障碍Lyapunov函数的启发,设计了障碍Lyapunov势函数避障控制器,利用Lyapunov函数的边界描述障碍物边界,以保证四旋翼无人机不会与障碍物发生碰撞。论文中针对提出的所有控制器都设计了数值仿真实验,检验其有效性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V249
【部分图文】：

在飞行过程中，四旋翼无人机还容易受到各种外界环境的干扰，如：气流扰动、陀螺效应，地转偏向力等，因此难以建立精确的动力学模型。其次，四旋翼无机具有六个状态需要控制，却只有四个旋翼的转速输入可供调节，是个典型的欠驱动模型，此外，四旋翼无人机还具有非线性、强耦合与对干扰敏感等特点[26][27更提高了飞行控制的难度。尽管困难重重，却仍不能阻断科研人员对四旋翼无机的热情。就目前看来，四旋翼无人机的操作还是以遥控为主，自主飞行为辅但对四旋翼无人机的遥控而言[28]，需要遥控人员具有丰富的操作经验，并且要解掌握四旋翼无人机的结构及飞行原理，才能保证四旋翼无人机的飞行安全。即便具备了丰富经验的遥控人员，由于外界环境的干扰，也有可能发生无人机坠机甚至伤及人员的情况。而四旋翼无人机自主飞行主要利用控制算法，通过微处理器计算，同时辨识周围环境，以产生安全有效的轨迹与飞行控制。由此可见，四旋翼无人机的自主飞行将成为未来飞行控制研究的方向[29]，为解决这一问题，多科研人员及工程师都已投入到对其研究的大潮当中，并取得了具有一定价值的研究结果[30]。

(c) 抗震救灾 (d) 农业植保图 1-2 四旋翼无人机应用场景综上所述，四旋翼无人机飞行控制研究具有很高的应用价值。目前在四旋翼无人机的应用中，跟踪既定轨迹的任务占了很大一部分，如农业巡察、警用巡逻等等，这些实际的项目都需要无人机对预先设定的轨迹具有较强的跟踪能力。针对这一实际需求，本课题将其放在主要内容的第一部分进行研究，通过对四旋翼无人机模型的处理，将其分为内外环，并根据内外环对性能不同的需求分别进行控制器设计，以达到有限时间跟踪的目的。考虑到四旋翼无人机在进行轨迹跟踪时希望跟踪误差能够约束在某一范围内的问题，本课题主要内容的第二部分将针对四旋翼无人机对位置误差约束的要求进行外环控制律设计，把四旋翼无人机对轨迹跟踪的误差约束在期望范围内。而在四旋翼无人机着陆飞行的过程中，考虑到着陆区域附近可能存在障碍物且希望无人机能以近乎悬停的方式降落，而利用遥控手段进行着陆需要经验丰富的操作人员，稍有不慎，四旋翼无人机就容易碰到障碍物而坠机，为了实现四旋翼无人机的着陆避障功能，本文将在最后一部分基于人工势函数法设计避障控制律，确保无人机的安全着陆。

环控制器如下： 2 /2 , sgnp qi i iqG x x F x t D p 力学模型如下：13 3cos coszUz g D z U g Dm 道控制器如下 2 / 2 , sgnp qi iq g x x F x t D p 与分析的内外环控制器以及有限时间观测器能够在有用 Simulink 对所设计的控制算法进行仿真。参数如下，其中设期望跟踪位置 , , Td d dx y z
【参考文献】

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本文编号：2885174