基于有限时间控制技术的四旋翼飞行器控制方法研究

发布时间：2021-04-16 00:54

　　四旋翼无人飞行器是一种垂直升降无人飞行器,它能够实现精准悬停,室内飞行和低速巡航等任务,已经被广泛应用于民用和军用领域。由于四旋翼无人飞行器是一个典型的欠驱动控制系统,具有多变量,强耦合,非线性的特点,这使得控制器设计非常具有挑战性,如何设计高性能的飞行控制器一直以来都是控制领域的热点问题。有限时间控制技术是一种新的非线性控制方法,具有快速收敛和抗扰动性能强的特点,可以有效改善闭环系统的控制性能。本文首先综述四旋翼无人飞行器的研究现状和有限时间控制理论。然后,介绍四旋翼无人飞行器的基本结构和飞行原理,并建立一种基于四元数描述的四旋翼无人飞行器系统模型。基于该模型,分别研究单个四旋翼的跟踪控制问题和多个四旋翼的编队控制问题。不同于大多数现有的研究成果,即只能保证闭环系统的渐近稳定性,本文所提出控制器均可实现有限时间稳定,即系统状态可以在有限时间内收敛到平衡点,明显提高系统收敛速度。具体来说,针对单个四旋翼的跟踪控制,基于齐次性理论,提出一种有限时间位置跟踪控制律,基于加幂积分技术,提出一种有限时间姿态跟踪控制律,使得四旋翼无人飞行器的位置和姿态都可以在有限时间内跟踪上期望值。针对多个四旋... 

【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１无人飞行器主流三大平台??

机械结构简单，制作成本低，控制容易，稳定性能好等优势［９－１０］。因此，近年来，??四旋翼无人飞行器被广泛地应用于航空拍摄，电力巡检，快递运输、农业植保、??军事侦查、地理勘测以及搜索和救援等领域［１１－１３］，详细见图１．２。??（ａ）航空拍摄?（ｂ）电力巡检?（ｃ）快递运输??（ｄ）农业植保?（ｅ）军事侦查?（ｆ）编队飞行??图１．２四旋翼无人飞行器的应用??Ｆｉｇ?１．２?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ?ｆｏｒ?ｑｕａｄｒｏｔｏｒ?ａｉｒｃｒａｆｔ??四旋翼无人飞行器的控制问题一直以来都是控制领域中的热点问题［１４］。一方??面，由于四旋翼无人飞行器的广泛应用，传统的线性控制算法已经不能满足各种??场合不同的需求，特别是军用领域对四旋翼无人飞行器的控制精度和稳定性能有??着极高要求，这就促使飞控工程师们需要提出更加先进的控制方法，进一步提升??２??

而线性控制器是渐近收敛，因此有限时间控制可以提供更快的收敛性能。为了验??证理论分析，下面将给出具体的数值仿真，参数选取为＆?＝?１，《?＝?〇．５，欢〇）?＝?１。根据??图１．３和图１．４可知，有限时间控制系统（１．５）?－?（１．６）比线性控制系统（１．５）?－??（１．７）明显具有更快的收敛速度。??１ｒ?■?．■?Ｉ．?．．Ｉ??＼?——有限时间控制器??＼?｜?—线性控制器??０．５－?Ｖ?；??Ｉ???０?＾￣?：???＿０＊５０?２?４?６?８??时间（ｓｅｃ）??图１．３?—阶系统（１．７）系统状态响应曲线??Ｆｉｇ?１．３?Ｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｓｙｓｔｅｍ?ｓｔａｔｅ?ｏｆ?ｆｉｒｓｔ－ｏｒｄｅｒ?ｓｙｓｔｅｍ?（１．７）??７??

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3140422