基于分数阶自抗扰的无人机姿态控制方法研究

发布时间：2022-07-14 12:08

　　四旋翼无人机因具有成本低、自由度多、灵活性强、能垂直起降等特点,在军事领域、民用领域都具有广泛的应用前景,颇受学者重视。由于四旋翼无人机的欠驱动、强耦合性、非线性、抗干扰能力差等缺陷,导致了很难对其进行建立精确的数学建模和稳定的飞行控制,因此四旋翼无人机建模方法和控制算法就成为研究的难点和重点。本文结合国内外研究现状,在前人成果的基础上展开以下研究工作:首先,从四旋翼无人机的构成部件和飞行控制模式两个方面阐述了四旋翼无人机的飞行原理,选用地面坐标系作为参考坐标系,推导出机体坐标系到地面坐标系之间的坐标转换矩阵,根据动力学知识建立了无人机的动力学模型。再利用准LPV法将无人机的非线性模型转换为线性模型,便于下文的研究。其次,提出了分数阶PD控制器与自抗扰中的线性扩张状态观测器相结合的控制策略,利用分数阶PD控制规律取代线性自抗扰控制器中线性控制规律,构成了新型的控制器“分数阶PD自抗扰控制器”。最后,利用分数阶自抗扰控制器对无人机的四种飞行姿态（高度、横滚、翻滚、偏航）进行控制和软件仿真。通过动态响应和抗干扰能力的对比实验,验证了相对于传统PID控制器、分数阶控制器以及自抗扰控制器,分数... 

【文章页数】：63 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 本文研究背景及意义
    1.2 国内外研究发展现状
        1.2.1 国外发展现状
        1.2.2 国内发展现状
    1.3 研究内容及结构安排
第二章 四旋翼无人机动力学模型
    2.1 四旋翼无人机飞行原理分析
        2.1.1 四旋翼无人机主要部件
        2.1.2 四旋翼无人机控制原理
    2.2 四旋翼无人机动力学模型
        2.2.1 坐标转换矩阵
        2.2.2 线性建模
    2.3 本章小结
第三章 无人机姿态控制系统的分数阶控制器设计及仿真
    3.1 PID控制理论
    3.2 分数阶微积分定义与性质
        3.2.1 分数阶微积分定义
        3.2.2 分数阶微积分性质
    3.3 分数阶系统的数学描述
        3.3.1 时域描述
        3.3.2 频域描述
        3.3.3 状态空间描述
    3.4 分数阶控制器
        3.4.1 分数阶控制器的分类
        3.4.2 分数阶控制器的设计
        3.4.3 分数阶控制器的参数整定
    3.5 基于分数阶控制算法的无人机姿态控制系统设计及仿真
        3.5.1 高度控制器设计
        3.5.2 横滚/俯仰控制器设计
        3.5.3 偏航控制器设计
        3.5.4 仿真结果分析
    3.6 本章小结
第四章 无人机姿态控制系统的自抗扰控制器的设计及仿真
    4.1 非线性自抗扰控制理论
        4.1.1 非线性自抗扰的发展
        4.1.2 非线性自抗扰的结构
    4.2 线性自抗扰控制理论
        4.2.1 线性扩张状态观测器
        4.2.2 扰动补偿
        4.2.3 反馈控制律
    4.3 基于自抗扰控制的无人机姿态控制系统设计及仿真
        4.3.1 高度控制器设计
        4.3.2 横滚/俯仰控制器设计
        4.3.3 偏航控制器设计
        4.3.4 仿真结果分析
    4.4 本章小结
第五章 基于分数阶自抗扰的无人机姿态控制系统设计
    5.1 引言
    5.2 分数阶自抗扰控制器
        5.2.1 分数阶自抗扰控制器结构设计
        5.2.2 分数阶自抗扰控制器的参数整定
    5.3 基于分数阶自抗扰控制算法的无人机姿态控制系统设计
        5.3.1 高度控制器设计
        5.3.2 横滚/俯仰控制器设计
        5.3.3 偏航控制器设计
        5.3.4 仿真结果分析
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献


【参考文献】：
期刊论文
[1]四旋翼飞行器PID优化控制[J]. 王史春.  河北科技大学学报. 2013(05)
[2]四旋翼无人飞行器导航控制系统研究[J]. 谷永晟,杨建军,朱宇虹.  遥测遥控. 2012(03)
[3]电动汽车异步电机变频驱动系统的自抗扰控制[J]. 崔纳新,张承慧,李珂,石庆升.  电工技术学报. 2007(08)
[4]单级旋转倒立摆的自抗扰控制[J]. 马燕,夏超英.  电气传动. 2007(06)
[5]考虑高斯误差和Doppler扩展的最大比合并性能分析[J]. 李汉强,郭伟,郑辉.  电子学报. 2006(01)
[6]依据飞行器飞行条件优化设计自动驾驶仪参数的方法[J]. 于秀萍,赵希人.  哈尔滨工程大学学报. 2005(03)
[7]反常扩散与分数阶对流-扩散方程[J]. 常福宣,陈进,黄薇.  物理学报. 2005(03)
[8]基于自抗扰控制器的无刷直流电机控制系统[J]. 夏长亮,李正军,杨荣,祁温雅,修杰.  中国电机工程学报. 2005(02)
[9]自抗扰控制在火电厂主汽温控制中的应用[J]. 黄焕袍,武利强,高峰,韩京清,林永君.  系统仿真学报. 2005(01)
[10]多孔介质溶质运移的分数弥散过程与Lévy分布[J]. 常福宣,吴吉春,戴水汉.  南京大学学报(自然科学版). 2004(03)

博士论文
[1]分数阶PID控制器及参数不确定分数阶系统稳定域分析[D]. 梁涛年.西安电子科技大学 2011
[2]分数阶微积分在现代信号分析与处理中应用的研究[D]. 蒲亦非.四川大学 2006

硕士论文
[1]四旋翼飞行器控制系统设计[D]. 魏丽文.哈尔滨工业大学 2010
[2]PID参数对控制系统稳定性影响的研究[D]. 宁宗夏.西安电子科技大学 2008



本文编号：3661098