四旋翼飞行器的滑模控制算法研究

发布时间：2017-05-04 20:01

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【摘要】：四旋翼飞行器(Quadrotor UAV)是拥有六自由度垂直起降无人飞行器，与固定翼飞机相比飞行稳定性较高且易于控制，机体结构较为简单。四旋翼飞行器可实现弧形飞行，通过设置多个参数来改变飞行器运行轨迹，但是发展至今在具体控制上还有待进一步研究。所以，本文在控制器应用过程中介绍相关控制理论和方法，通过仿真来对所研究问题和结论进一步论证。 滑模控制的主要特点是可以实现不连续控制，，滑动模态是可设计的，而且与系统参数及扰动没有关联，使系统获得良好鲁棒性能。在实际环境中，任何一个统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性可能出现在系统内部或系统外部，自适应控制的研究对象就是这种具有不确定性的系统，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。在多种学科不断的发展下，将滑模控制与自适应控制有机结合，这样更好的解决了参数不确定或时变参数系统控制问题。 本文主要对四旋翼飞行器模型进行分析研究其非线性特性，建立四旋翼飞行器的非线性数学模型，针对飞行器可以实现目标轨迹飞行及定点悬停的问题，进行了基于PID算法设计，由此引入滑模变结构控制理论。对系统进行简化处理之后，针对系统存在非线性的问题设计了基于滑模算法的飞行控制器，分析在所设计的控制器下稳定飞行及悬停效果。而后，对于不确定因素和干扰问题设计了基于自适应滑模算法的飞行控制器，分析在所设计的控制器下当质量参数不确定和受到信号扰动突变时，系统的稳定飞行及悬停效果和抗干扰的能力，分别对以上三种控制器进行仿真实验，验证这三种控制器的可行性。
【关键词】：四旋翼飞行器 PID控制 滑模控制 自适应
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状11-14
• 1.2.1 四旋翼飞行器的发展阶段11-13
• 1.2.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状13-14
• 1.3 四旋翼飞行器的研究概况14-16
• 1.4 课题研究的主要内容16-18
• 第2章 四旋翼飞行器的原理与模型18-36
• 2.1 四旋翼飞行器的系统结构与控制原理18-21
• 2.1.1 系统结构18-19
• 2.1.2 控制原理19-21
• 2.2 坐标系与变换矩阵21-23
• 2.3 动力子系统的分析和建模23-26
• 2.3.1 空气动力和力矩23-25
• 2.3.2 电机动力学25-26
• 2.4 系统模型建立26-35
• 2.4.1 动力学方程26-32
• 2.4.2 运动学方程32-33
• 2.4.3 系统非线性模型及化简33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 基于 PID 算法的四旋翼飞行控制器设计36-43
• 3.1 控制结构分析36-38
• 3.2 控制算法38-40
• 3.2.1 姿态控制38-39
• 3.2.2 位置控制39-40
• 3.3 仿真实验40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 基于滑模算法的四旋翼飞行控制器设计43-51
• 4.1 引言43
• 4.2 基于滑模算法的飞行控制器的设计43-48
• 4.2.1 系统模型的状态空间描述43-44
• 4.2.2 根据反步法推导的滑模控制律44-48
• 4.3 仿真实验48-49
• 4.4 本章小结49-51
• 第5章 基于自适应滑模的飞行器控制器设计51-62
• 5.1 引言51
• 5.2 基于自适应反步滑模的飞行控制器设计51-56
• 5.3 仿真实验56-60
• 5.4 本章小结60-62
• 结论62-63
• 参考文献63-68
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文68-69
• 致谢69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：345683