四旋翼飞行器建模与控制方法研究

发布时间：2017-10-07 04:29

  本文关键词：四旋翼飞行器建模与控制方法研究

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种结构对称,可以实现垂直起降、前飞和侧飞的飞行器,它可以执行航拍、数据传输、低空飞行等任务,在各个领域上有重要的应用价值。同时四旋翼飞行器又具有强耦合、欠驱动和非线性等特性,使得对四旋翼飞行器的建模和控制器的设计带来了一定的挑战。本文在四旋翼飞行器数学模型的基础上,分别研究PID、增稳积分反步法、滑模逆方法设计的控制器的控制效果。根据四旋翼飞行器的飞行原理,建立飞行器的动力学模型,并在飞行器的动力学模型上设计了PID控制器,通过MATLAB/simulink的仿真平台对PID控制器进行仿真。仿真实验表明,PID控制器能有效的控制飞行器的位移和姿态角,但是鲁棒性和动态性能不理想。为了弥补这些缺点,设计出增稳积分反步法控制器。在不同的情况下,判断增稳积分反步法控制器是否切入积分环节,从而提高系统的动态性能和鲁棒性。仿真实验表明,该控制器与经典PID控制器相比,系统的动态性能好,鲁棒性有所提高,但幅度小。若是在高强度的干扰信号下,PID控制器和增稳积分反步法控制器不能有效的控制飞行器的位移和姿态角,为了增强飞行器的鲁棒性,设计出滑模逆控制器。滑模逆控制器将整个控制系统分为角速度控制系统、姿态角控制系统和位移控制系统,每一个控制系统采用滑模逆控制器。仿真实验表明,该控制器与增稳积分反步法控制器相比,其鲁棒性有明显的改善。
【关键词】：四旋翼飞行器 动力学模型 PID 增稳积分反步法 滑模逆
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279.1
【目录】：

• 学位论文的主要创新点3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 选题背景与意义8-9
• 1.2 四旋翼飞行器发展趋势和研究现状9-13
• 1.2.1 四旋翼飞行器发展趋势9-10
• 1.2.2 四旋翼飞行器的建模及控制研究10-12
• 1.2.3 研究存在的问题与解决思路12-13
• 1.3 本课题主要的内容以及章节安排13-16
• 1.3.1 论文主要内容13
• 1.3.2 论文的章节安排13-16
• 第二章 四旋翼飞行器的模型建立16-34
• 2.1 四旋翼飞行器结构组成及优势16-17
• 2.2 四旋翼飞行器原理17-18
• 2.3 空气动力学分析18-24
• 2.3.1 旋翼动力学特性18-19
• 2.3.2 空气动力与力矩分析19-24
• 2.4 四旋翼飞行器的非线性建模24-32
• 2.4.1 坐标系以及坐标转换矩阵24-26
• 2.4.2 电机动力学模型26-27
• 2.4.3 四旋翼飞行器的线性运动27-29
• 2.4.4 四旋翼飞行器的姿态运动29-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第三章 经典PID控制器设计34-42
• 3.1 经典PID控制器结构分析34-36
• 3.2 经典PID控制器设计36-37
• 3.2.1 内环控制系统设计36
• 3.2.2 外环控制系统设计36-37
• 3.3 PID控制器仿真与分析37-41
• 3.3.1 悬停仿真与分析37-39
• 3.3.2 鲁棒性仿真与分析39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 增稳积分反步法控制器设计42-58
• 4.1 反步法理论42-48
• 4.2 增稳积分反步法原理48-49
• 4.3 积分反步法控制器设计49-53
• 4.3.1 姿态角回路控制设计50-52
• 4.3.2 位移回路控制设计52-53
• 4.4 增稳积分反步法控制算法的分析53-57
• 4.4.1 悬停仿真与分析53-55
• 4.4.2 鲁棒性仿真与分析55-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 滑模逆控制器设计58-76
• 5.1 逆理论58-61
• 5.1.1 逆基本概念59
• 5.1.2 多变量逆系统理论59-61
• 5.2 滑模控制理论61-65
• 5.2.1 滑模控制概念及达到条件61-63
• 5.2.2 滑模控制定义以及特点63
• 5.2.3 滑模控制中的抖振问题63-64
• 5.2.4 解决抖振抑制的方法64-65
• 5.3 滑模逆控制器的实现65-72
• 5.3.1 滑模逆控制器设计原则66-67
• 5.3.2 角速度控制设计67-69
• 5.3.3 姿态角控制设计69-71
• 5.3.4 位移控制设计71-72
• 5.4 滑模逆控制算法的分析72-75
• 5.4.1 悬停仿真与分析72-73
• 5.4.2 鲁棒性仿真与分析73-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第六章 总结和展望76-78
• 6.1 工作总结76-77
• 6.2 进一步工作和研究展望77-78
• 参考文献78-82
• 发表论文和参加科研情况82-84
• 致谢84

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

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本文编号：986941