基于ESO-MPC的风扰下四旋翼无人机路径跟踪控制

发布时间：2021-06-16 16:18

　　四旋翼无人机在军事和民用领域得到了广泛的应用。然而,四旋翼无人机是一个非线性、欠驱动、强耦合的系统,而且在实际飞行过程中还会受到不确定的紊流风场干扰,这些因素均给无人机控制器的设计工作带来了巨大的挑战。本文主要针对风场扰动下四旋翼无人机的路径跟踪控制问题展开研究,主要研究内容如下:首先,研究了四旋翼无人机在风场环境下的动力学模型。根据空气动力学对紊流风场下的四旋翼无人机的受力进行分析,然后根据牛顿-欧拉方程推导出紊流风场下四旋翼无人机的动力学模型。其次,研究了风场环境下四旋翼无人机的路径跟踪控制算法。四旋翼无人机控制采用双闭环控制结构,即外环位置控制与内环姿态控制。位置环和姿态环均采用基于扩展状态观测器的模型预测控制（ESO-MPC）方法。对于姿态控制,采用反馈线性化方法将姿态非线性模型线性化,然后设计模型预测控制器实现姿态跟踪,并设计扩展状态观测器以补偿风场扰动和四旋翼无人机未建模部分。仿真结果表明该方法的有效性。最后,研究了风扰和测量噪声影响下的四旋翼无人机路径跟踪控制算法。为了消除测量噪声对四旋翼无人机路径跟踪控制的不良影响,位置环和姿态环均采用基于卡尔曼滤波的扩展状态向量（ES... 

【文章来源】：武汉科技大学湖北省

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

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民用级无人机产品

武汉科技大学硕士学位论文7第2章风场环境下四旋翼无人机动力学建模2.1引言建立精确的四旋翼无人机动力学模型是研究四旋翼无人机控制算法的基矗为研究四旋翼无人机在风场环境下的路径跟踪控制问题，必须了解四旋翼无人机的结构及其工作原理，以及风场环境对四旋翼无人机的影响，在此基础上建立四旋翼无人机在风场下的动力学模型。通过参考国内外四旋翼无人机建模方法，本文采用欧拉角描述四旋翼无人机的姿态。本章首先介绍了四旋翼无人机结构及其工作原理，然后分别定义了大地坐标系和机体坐标系，并给出了两个坐标系间的转换关系，在此基础上对四旋翼无人机作一些合理的假设，结合紊流风场对旋翼的空气动力学分析，最后根据Newton–Euler方程推导出四旋翼无人机在紊流风场下的动力学模型。2.2四旋翼无人机的结构及工作原理四旋翼无人机（quadrotor）是一种小型旋翼式飞行器，其结构由机身和四个旋翼构成，通过四个旋翼的旋转为四旋翼无人机的飞行提供动力，能够实现四旋翼无人机沿着X轴、Y轴和Z轴三个方向的平移运动，还可以使四旋翼无人机绕着X轴、Y轴和Z轴做旋转运动。由于旋翼的高速旋转会产生一个与其旋转方向相反的反扭力矩，这个力矩的存在对四旋翼无人机的控制是不利的。为了消除该影响[49-50]，把四个旋翼放置在同一平面上，并将其分为两组，对角互为一组，采用相同的旋转方向。四旋翼无人机的基本结构如图2.1，旋翼1和旋翼3为一组，采用逆时针方向；旋翼2和旋翼4为一组，采用顺时针方向。图2.1四旋翼无人机的基本结构按照四旋翼无人机运动方式的不同，旋翼的分布通常有“十字”型或者“X”型

武汉科技大学硕士学位论文9者逆时针偏航运动。2.3坐标系的定义与姿态描述为了准确描述四旋翼无人机的状态以及方便对其进行受力分析，定义了如图2.2所示地面坐标系(,,,)eeeeEOXYZ和机体坐标系(,,,)bbbbEOXYZ。通过地面坐标系可以确定四旋翼无人机在空间中的位置，机体坐标系用来确定四旋翼无人机的姿态变化。图2.2地面坐标系与机体坐标系忽略地球自转的影响，地面坐标系与大地固连，把地面坐标系当成惯性坐标系。起飞时四旋翼无人机在地面水平放置。地面坐标系的坐标原点为四旋翼无人机起飞位置的机体中心，eX轴正方向为四旋翼无人机起飞位置时的机头方向，eZ轴正方向竖直向上，通过右手定则确定地面坐标系的eY轴方向。机体坐标系与四旋翼无人机固连，会随着四旋翼无人机的运动而运动。机体坐标系的坐标原点为四旋翼无人机的重心，bX轴正方向为四旋翼无人机的机头方向，bY轴正方向为四旋翼无人机的左侧，二者互为垂直关系，bZ轴与bX轴、bY轴相互垂直，且bZ轴正方向由右手定则确定方向。要实现地面坐标系与机体坐标系之间的相互转换，需要引入欧拉角来描述四旋翼无人机的姿态欧拉角，将四旋翼无人机的旋转姿态转换为地面坐标系与机体坐标系的夹角关系[51-53]。机体坐标系可以通过地面坐标系按照一定的旋转顺序可以得到，每一次旋转的角度称为欧拉角。欧拉角包括俯仰角φ、翻滚角θ、偏航角ψ。四旋翼无人机的在飞行过程中的任何一次姿态可以分解为三次旋转运动：绕bZ轴的偏航旋转，绕bY轴的俯仰旋转，绕bX轴的翻滚旋转。在航空中一般按照先偏航旋转，然后俯仰旋转，最后翻滚旋转得到地面坐标系与机体坐标系在空间中的旋转关

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本文编号：3233389