独立倾转四旋翼飞行器飞行控制技术研究

发布时间：2021-04-20 09:57

　　倾转多旋翼飞行器通过将旋翼倾斜到单独的平面上,实现推力和力矩的独立控制,能够在受限空间内进行角运动跟踪,或者与工作面成一定角度定向,亦能在空中作业时保持载具的水平,极大的拓宽了多旋翼无人机的应用场景。本课题主要针对一种可独立倾转的新型四旋翼飞行器（Quadcopter with Independently Tilting Rotor,QITR）,进行飞行控制技术的研究,具体内容总结为以下几个方面:使用三维软件对QITR的整体结构进行建模。探讨QITR的飞行原理,分析不同期望轨迹下的倾转配置。随后对QITR进行运动学和动力学建模,并对飞行过程中涉及到的外力及外力矩扰动、参数摄动及噪声进行建模。通过变量代换方式将非线性控制分配问题转化为线性控制分配问题,使用Moore-Penrose伪逆优化能量消耗。研究基于H_∞回路成形线性方法的QITR控制方法。分别探讨H_∞鲁棒镇定和回路成形方法在控制律设计上的优势及劣势,之后给出结合两种方法的H_∞回路成形控制律设计流程,并设计QITR位姿控制律。通过仿真实验对比所设计控制律与PID控制律... 

【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校

【文章页数】：98 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 倾转多旋翼飞行器研究现状
        1.2.2 多旋翼飞行控制技术研究现状
    1.3 研究目标与关键技术分析
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 关键技术分析
    1.4 本文研究的主要内容
第二章 QITR运动建模
    2.1 结构设计及飞行原理
        2.1.1 结构设计
        2.1.2 坐标系及变量定义
        2.1.3 飞行原理
    2.2 电机动力学模型
    2.3 QITR本体建模
        2.3.1 动力学建模
        2.3.2 运动学建模
    2.4 控制分配方案
        2.4.1 基于线性化方案的控制分配
    2.5 扰动建模
        2.5.1 外力及外力矩扰动建模
        2.5.2 测量噪声建模
        2.5.3 参数摄动
    2.6 本章小结
∞的QITR位姿控制律设计">第三章 基于H_∞的QITR位姿控制律设计
    3.1 控制系统总体结构
∞控制理论基础">    3.2 H_∞控制理论基础
        3.2.1 基本概念
∞鲁棒镇定问题">        3.2.2 基于互质分解的H_∞鲁棒镇定问题
        3.2.3 回路成形理论
∞回路成形设计流程">        3.2.4 H_∞回路成形设计流程
∞回路成形式控制器设计">    3.3 H_∞回路成形式控制器设计
        3.3.1 模型简化
        3.3.2 控制器性能要求
        3.3.3 回路成形
    3.4 仿真验证
        3.4.1 PID位姿控制律设计
        3.4.2 理想情况
        3.4.3 非理想情况
    3.5 本章小结
第四章 基于神经网络的QITR控制方法
    4.1 滑模控制理论及神经网络基础
        4.1.1 标准滑模理论
        4.1.2 终端滑模
        4.1.3 RBF网络
    4.2 微分器设计
        4.2.1 参考微分器设计
        4.2.2 滤波器设计
    4.3 基于RBFTSMC的姿态控制律设计
        4.3.1 非线性姿态模型推导
        4.3.2 TMSC姿态控制律设计
        4.3.3 RBFNN扰动观测器更新规则及稳定性证明
    4.4 基于RBFFL的位置控制律设计
        4.4.1 RBFFL的位置控制律设计
        4.4.2 权值更新规则
    4.5 粒子群参数寻优
        4.5.1 独立局部搜索粒子群算法
        4.5.2 姿态控制律粒子群参数寻优
        4.5.3 位置控制器粒子群参数寻优
    4.6 仿真验证
        4.6.1 随机扰动情况
        4.6.2 全状态全扰动情况
    4.7 本章小结
第五章 MATLAB-VREP可视化联合仿真实验
    5.1 VREP仿真器
        5.1.1 VREP特性
        5.1.2 VREP与 Gazebo对比
    5.2 独立倾转四旋翼VREP模型搭建
        5.2.1 QITR本体搭建
        5.2.2 环境场景设置
        5.2.3 脚本编写
    5.3 VREP与 SIMULINK联合仿真
        5.3.1 VREP端脚本编写
        5.3.2 SIMULINK端功能实现
    5.4 可视化仿真实验结果
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 本文研究工作总结
    6.2 存在问题及后期研究方向
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]过动式倾斜转轮四轴飞行器的H∞控制（英文）[J]. Ahmed ALKAMACHI,Ergun ER?ELEB?.  Journal of Central South University. 2018(03)
[2]独立局部搜索与多区域渐近收敛的新型PSO算法[J]. 王玉昆,陈雪波.  控制与决策. 2018(08)
[3]基于MOGA算法的H∞回路成形直升机姿态控制器设计[J]. 王晓燕,陈晓.  控制与决策. 2016(01)
[4]倾转旋翼机飞行力学特性[J]. 沙虹伟,陈仁良.  航空动力学报. 2012(04)
[5]四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J]. 李俊,李运堂.  辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2012(01)

博士论文
[1]多旋翼飞行器建模与飞行控制技术研究[D]. 杨成顺.南京航空航天大学 2013

硕士论文
[1]四旋翼直升机控制问题研究[D]. 王树刚.哈尔滨工业大学 2006



本文编号：3149468