基于非线性观测器的飞行器姿态控制方法与应用

发布时间：2021-05-10 05:43

　　随着经济和科技的进步,航天航空事业得到了前所未有的发展,飞行器承担起越来越多样且复杂的任务,这也使得对飞行器控制的要求不断提高。姿态跟踪控制是飞行器控制的基础和关键,一直以来都是控制领域的热点问题之一。现有的各种控制方法大多都假设飞行器的角速度是精准可测的,并可直接用于飞行器的姿态控制器设计当中。但在实际应用中,由于某些原因,例如受到传感器、成本、能量等的限制,角速度其实是不可测的。针对这一情况,本文给出了角速度观测器,并在此基础上进行了姿态跟踪控制器设计。文中给出了研究所需的基础理论和知识,建立了惯性坐标系和机体坐标系,基于欧拉第二运动定律分别搭建了四元数和旋转矩阵姿态表达下通用的飞行器姿态动态模型,并以此为对象进行角速度观测器和姿态控制器设计。本文设计角速度观测器主要依据压缩分析原理,其关键在于找到一个虚拟系统,使得飞行器角速度的实际值和观测值均为该系统的特解,则当虚拟系统压缩时,根据压缩系统的特性可知角速度观测值将指数收敛于实际值。本文首先将前人提出的四元数姿态表达方式下针对小型卫星的压缩角速度观测器引入到飞行器姿态控制中,并在原观测器的基础上考虑了外部扰动存在的情况。针对由多个... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：125 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号说明
第1章 绪论
    1.1 课题背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 姿态控制研究现状
        1.2.2 角速度观测器研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 基础理论与数学知识
    2.1 引言
    2.2 非线性系统稳定性理论
    2.3 相关运算性质
    2.4 压缩分析相关理论
    2.5 姿态描述相关定义
    2.6 本章小结
第3章 飞行器建模
    3.1 引言
    3.2 飞行器姿态描述
        3.2.1 相关坐标系
        3.2.2 四元数姿态描述
        3.2.3 旋转矩阵姿态描述
    3.3 飞行器姿态动态系统建模
    3.4 本章小结
第4章 基于四元数的角速度观测器设计
    4.1 引言
    4.2 设计思路
    4.3 观测器设计与收敛性分析
        4.3.1 无扰动情况下观测器的简介
        4.3.2 鲁棒观测器的设计
    4.4 仿真验证
    4.5 本章小结
第5章 基于旋转矩阵的角速度观测器设计
    5.1 引言
    5.2 设计思路
    5.3 观测器设计与收敛性分析
        5.3.1 无扰动情况下观测器的设计
        5.3.2 鲁棒观测器的设计
    5.4 仿真验证
        5.4.1 无扰动情况下观测器的仿真结果
        5.4.2 鲁棒观测器的仿真结果
    5.5 本章小结
第6章 四元数姿态表达下基于压缩角速度观测器的姿态跟踪控制
    6.1 引言
    6.2 问题描述
    6.3 控制器设计及稳定性分析
        6.3.1 控制目标变换
        6.3.2 无扰动情况下控制器的设计及稳定性分析
        6.3.3 鲁棒控制器的设计及稳定性分析
    6.4 仿真验证
        6.4.1 无扰动情况下控制器的仿真结果
        6.4.2 鲁棒控制器的仿真结果
    6.5 本章小结
第7章 旋转矩阵姿态表达下基于压缩角速度观测器的姿态跟踪控制
    7.1 引言
    7.2 问题描述
    7.3 控制器设计及稳定性分析
        7.3.1 误差定义
        7.3.2 无扰动情况下控制器的设计及稳定性分析
        7.3.3 鲁棒控制器的设计及稳定性分析
    7.4 仿真验证
        7.4.1 无扰动情况下控制器的仿真结果
        7.4.2 鲁棒控制器的仿真结果
    7.5 本章小结
第8章 基于四旋翼飞行器的姿态跟踪控制应用初步
    8.1 引言
    8.2 四旋翼飞行器的机理
    8.3 动力系统及控制系统简介
    8.4 四旋翼飞行器建模
        8.4.1 姿态系统建模
        8.4.2 动力系统模型
    8.5 控制器应用
        8.5.1 四元数姿态表达下的角速度观测器及姿态控制器
        8.5.2 旋转矩阵姿态表达下的角速度观测器及姿态控制器
    8.6 本章小结
第9章 总结与展望
    9.1 本文工作总结
    9.2 工作展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]航空航天中的新材料和新技术探究[J]. 杨子涵.  科学技术创新. 2019(02)
[2]一种基于在线辨识和专家系统的飞行器智能姿态控制方法[J]. 张志健,王小虎,曾宪法,何纯.  导航定位与授时. 2019(01)
[3]展技术新成果2020导航天新动向——记2018年第12届中国国际航空航天博览会[J]. 本刊编辑部.  中国航天. 2018(11)
[4]国际航空航天领域的学术发展格局分析——基于ESI和SCIE数据分析的视角[J]. 江洋洋.  科技情报开发与经济. 2015(13)
[5]近空间高超声速飞行器控制的几个科学问题研究[J]. 孙长银,穆朝絮,余瑶.  自动化学报. 2013(11)
[6]基于插值DFT的弹体弹性自适应陷波方法[J]. 张志健,王小虎,王铁军.  宇航学报. 2013(09)
[7]基于自适应动态逆的高超声速飞行器姿态复合控制[J]. 遆晓光,孔庆霞,余颖.  宇航学报. 2013(07)
[8]飞行器控制面临的机遇与挑战[J]. 陈宗基,张汝麟,张平,周锐.  自动化学报. 2013(06)
[9]航天飞行器控制技术研究现状与发展趋势[J]. 包为民.  自动化学报. 2013(06)
[10]世界航天科技发展现状与趋势[J]. 陈萱,李云.  中国航天. 2009(11)

博士论文
[1]飞行器姿态非线性控制方法研究[D]. 周成宝.哈尔滨工业大学 2016
[2]空间飞行器姿态复合控制方法研究[D]. 路坤锋.北京理工大学 2014
[3]输出调节问题的内模与控制器设计研究[D]. 王兴虎.中国科学技术大学 2012
[4]变结构飞行器的多刚体建模和姿态控制[D]. 毕胜.中国科学技术大学 2010



本文编号：3178796