四旋翼飞行器的建模及预测控制研究

发布时间：2017-06-07 22:04

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【摘要】：四旋翼飞行器是一个多输入多输出、强耦合的非线性对象。本文主要研究了四旋翼飞行器的建模及其模型预测控制方法。 传统的对四旋翼飞行器的建模方法是物理建模,通过对四旋翼飞行器进行受力分析,建立其数学模型。由于这种方法对四旋翼飞行器进行分析时做了一些假设,同时也忽略了一些非线性的因素,这些导致建立的模型精度不高。 针对物理模型的缺点,本文对四旋翼飞行器采用了辨识建模,建立了四旋翼飞行器的ARX模型、RBF-ARX模型、RBFRW-ARX模型。ARX模型是线性模型,其系数通过线性最小二乘法辨识得到。RBF-ARX模型和RBFRW-ARX模型是一类随状态变化的非线性模型,它们的参数是通过结构化非线性优化方法(SNPOM)辨识得到。建模结果表示这三种模型都有很高的建模精度。 在四旋翼飞行器的ARX模型、RBF-ARX模型、RBFRW-ARX模型的基础上,设计了四旋翼飞行器的模型预测控制器。这三种模型通过选择合适的状态变量可以转变为状态空间的形式,对四旋翼飞行器进行状态预测,最后通过二次规划相关方法滚动求解最优的控制量。 本文实现了基于ARX模型、RBF-ARX模型、RBFRW-ARX模型的模型预测控制方法对四旋翼飞行器的仿真控制。仿真实验表明基于这三种模型的预测控制能够快速平稳地将四旋翼飞行器控制在给定的姿态。基于ARX模型和RBF-ARX模型的预测控制器具有一定的抗干扰能力。以RBF-ARX模型的预测控制为例研究了预测控制的各种控制参数对系统控制效果的影响。 四旋翼飞行器的实物控制实验中对比了基于物理模型的LQR控制,基于ARX模型、RBF-ARX模型、RBFRW-ARX模型的预测控制的控制效果。综合阶跃响应,全局响应表明基于RBF-ARX模型的预测控制方法相对来说最好。从抗干扰实验结果表明基于RBFRW-ARX的控制策略的抗扰动能力最强。本文图97幅,表6个,参考文献78篇。
【关键词】：四旋翼飞行器 ARX模型 RBF-ARX模型 RBFRW-ARX模型 模型预测控制
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 四旋翼飞行器的研究现状9-11
• 1.1.1 四旋翼飞行器的简介9-10
• 1.1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状10-11
• 1.2 RBF-ARX模型的发展与概述11-14
• 1.3 模型预测控制(MPC)的发展与概述14-15
• 1.4 本文的主要内容15-17
• 2 四旋翼飞行器的建模研究17-41
• 2.1 物理建模方法17-21
• 2.2 ARX模型建模方法21-27
• 2.3 RBF-ARX模型建模方法27-34
• 2.3.1 四旋翼飞行器的RBF-ARX模型27-29
• 2.3.2 RBF-ARX模型的参数优化方法29-32
• 2.3.3 RBF-ARX模型的建模结果32-34
• 2.4 带回归权重的RBF-ARX模型建模方法34-39
• 2.5 本章小结39-41
• 3 四旋翼飞行器的模型预测控制器设计41-53
• 3.1 模型预测控制的基本原理41-42
• 3.2 基于ARX模型的模型预测控制器设计42-46
• 3.2.1 四旋翼飞行器的ARX模型的状态空间描述42-44
• 3.2.2 ARX模型状态空间形式的预测输出44-45
• 3.2.3 优化求解45-46
• 3.3 基于RBF-ARX模型的预测控制器设计46-50
• 3.4 基于RBFRW-ARX模型的预测控制器的设计50-51
• 3.5 本章小结51-53
• 4 四旋翼飞行器的模型预测控制结果分析53-97
• 4.1 仿真控制结果分析53-68
• 4.1.1 基于ARX模型的预测控制仿真结果53-58
• 4.1.2 基于RBF-ARX模型的预测控制仿真结果58-64
• 4.1.3 基于RBFRW-ARX模型的预测控制仿真结果64-68
• 4.2 实物控制结果分析68-96
• 4.2.1 基于物理模型的LQR控制的实物控制结果68-74
• 4.2.2 基于ARX模型的模型预测控制实物控制结果74-78
• 4.2.3 基于RBF-ARX模型的模型预测控制的实物控制结果78-83
• 4.2.4 基于RBFRW-ARX模型的模型预测控制的实物控制结果83-88
• 4.2.5 各种控制方法的实物控制结果对比88-96
• 4.3 本章小结96-97
• 5 工作总结与展望97-99
• 5.1 总结97-98
• 5.2 展望98-99
• 参考文献99-105
• 攻读学位期间主要的研究成果105-107
• 致谢107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 周权;黄向华;朱理化;;四旋翼微型飞行平台姿态稳定控制试验研究[J];传感器与微系统;2009年05期

2 聂博文;马宏绪;王剑;王建文;;微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J];电光与控制;2007年06期

3 甘敏;彭辉;陈晓红;;RBF-AR模型在非线性时间序列预测中的应用[J];系统工程理论与实践;2010年06期

4 甘敏;彭辉;;基于带回归权重RBF-AR模型的混沌时间序列预测[J];系统工程与电子技术;2010年04期

5 甘敏;彭辉;;不同基函数对RBF-ARX模型的影响[J];中南大学学报(自然科学版);2010年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 甘敏;基于状态相依模型的非线性时间序列建模及其优化方法研究[D];中南大学;2010年

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本文编号：430419