小型四旋翼无人直升机姿态控制技术研究

发布时间：2017-08-02 11:22

  本文关键词：小型四旋翼无人直升机姿态控制技术研究

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【摘要】：随着微机电系统的不断发展,使得小型四旋翼无人直升机的性能越来越强大,其应用的范围也越来越广,为人类带来的便利也越来越多。由于四旋翼无人直升机特殊的耦合结构,使得飞行姿态能直接影响飞行的位置,因此,为研究出机动性能更佳的四旋翼无人直升机以满足多种行业的需要,越来越多的人开始将研究重点转向了小型四旋翼无人直升机的姿态控制。本文是从算法的角度对四旋翼无人直升机的飞行姿态进行研究的。文中将对小型四旋翼无人直升机模型的建立、先进姿态控制算法的设计等内容进行深入研究,特别是反步控制器、反步滑模控制器以及分数阶滑模控制器等先进控制器的设计及应用。最后采用软件仿真的方式对所设计的控制器的控制效果进行验证。其主要内容包括以下几个方面:介绍当前无人机的应用情况,尤其在军事方面的应用,并就四旋翼无人机的应用进行特别说明。再对四旋翼无人直升机的姿态控制算法的研究现状进行说明。介绍常用的坐标系转换方法及姿态角表示方法,建立四旋翼无人直升机的数学模型。在忽略机体的陀螺效应的前提下,将已建立的模型进行适当简化。对分数阶理论进行分析,并与经典PID控制器的设计方法进行对比,设计分数阶PID控制器,对简化后的模型进行控制。该种控制器结合了分数阶理论的优点,性能应优于经典PID控制器。在考虑机体的陀螺效应的前提下,再考虑到四旋翼无人直升机的飞行环境,在已建立的数学模型中加入干扰项,并采用干扰观测器对加入的干扰进行补偿。然后采用先进的反步法设计反步控制器,对四旋翼无人机的飞行姿态进行控制;再采用鲁棒性强的滑模变结构控制,与反步法相结合,设计反步滑模控制器。最后将分数阶理论与滑模变结构控制相结合,设计性能更佳的分数阶滑模控制器。通过对经典PID控制器、分数阶PID控制器、反步控制器、反步滑模控制器、分数阶滑模控制器的设计与仿真,将完成对小型四旋翼无人直升机姿态控制技术的研究工作。
【关键词】：小型四旋翼无人直升机 陀螺效应 数学模型 控制器
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 论文的背景和意义9-10
• 1.2 四旋翼无人直升机的国内外研究概况10-11
• 1.2.1 国外研究概况10-11
• 1.2.2 国内研究概况11
• 1.3 四旋翼无人直升机姿态控制技术研究概况11-12
• 1.4 论文的主要研究内容12-14
• 2 小型四旋翼无人直升机的建模14-23
• 2.1 四旋翼无人直升机介绍14-15
• 2.2 飞行姿态角描述15-16
• 2.3 坐标变换矩阵16-18
• 2.4 数学模型的建立18-22
• 2.5 小结22-23
• 3 基于分数阶PID控制器的四旋翼无人直升机姿态控制23-34
• 3.1 控制对象的建立23-24
• 3.2 控制器的设计及应用24-31
• 3.2.1 分数阶微积分简介24-25
• 3.2.2 分数阶微积分的算法实现25-28
• 3.2.3 分数阶算子的封装28-30
• 3.2.4 经典PID控制器的设计30
• 3.2.5 分数阶PID控制器的设计30-31
• 3.3 仿真对比及分析31-33
• 3.4 小结33-34
• 4 基于反步控制器的四旋翼无人直升机姿态控制34-45
• 4.1 反步法理论基础34-36
• 4.2 稳定性判据36-37
• 4.2.1 Lyapunov意义下的稳定性说明36-37
• 4.2.2 Lyapunov稳定性判别方法37
• 4.3 反步控制器设计37-42
• 4.3.1 引入干扰观测器38-40
• 4.3.2 设计反步控制器40-42
• 4.4 仿真验证42-44
• 4.5 小结44-45
• 5 基于反步滑模控制器的四旋翼无人直升机姿态控制45-51
• 5.1 滑模变结构控制概述45-46
• 5.2 反步滑模控制器设计46-47
• 5.3 仿真验证47-49
• 5.4 小结49-51
• 6 基于分数阶滑模控制器的四旋翼无人直升机姿态控制51-58
• 6.1 分数阶滑模控制器设计51-52
• 6.2 仿真验证52-54
• 6.3 整体对比54-56
• 6.4 小结56-58
• 结论58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-63
• 攻读学位期间的研究成果63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 赵常均;宫勋;白越;续志军;徐东甫;高庆嘉;;四旋翼飞行器中升力波动的干扰与抑制[J];光学精密工程;2014年09期

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本文编号：609026