四旋翼飞控及其分布式一致性算法研究

发布时间：2017-10-09 05:20

  本文关键词：四旋翼飞控及其分布式一致性算法研究

  更多相关文章： 四旋翼 动态面 一致性

【摘要】：近年来,由于四旋翼无人机其结构简单、机动灵活等特点,人们对其的研究兴趣日渐强烈。但四旋翼动力学模型具有欠驱动、强耦合、非线性等特点,加之在飞行过程中需考虑非线性阻力、阻力矩以及阵风等不确定因素的影响,因此设计具有鲁棒性的稳定飞行控制算法具有很大的难度。且由于单个四旋翼负载有限、传感器性能不足、续航能力有限的限制,在一些复杂的应用场景下,往往需要多个四旋翼以集群的方式完成单个四旋翼无法完成的任务,而多四旋翼一致性问题是多四旋翼协作控制的基础。本文主要研究了四旋翼飞控算法和多四旋翼分布式一致性控制协议,主要内容如下:首先,本文通过对四旋翼飞行原理以及动力学原理进行分析,利用牛顿-欧拉方程建立了四旋翼无人机的动力学模型。与以往的双闭环控制思路不同,本文根据模型驱动回路的不同特点,将四旋翼分为全驱动和欠驱动两个子系统,并根据系统不同特点设计了不同的控制率,并组合成了四旋翼的整体飞控算法。其次,针对全驱动子系统相对独立且响应迅速的特点,设计了能够在有限时间内达到稳定的非奇异终端滑模控制算法,并通过理论证明、仿真分析证明了算法的有效性。在假设全驱动子系统已经尽快稳定并输出稳定耦合量给欠驱动系统的情况下,对四阶欠驱动系统设计了基于动态面的控制算法,且引入干扰观测器提高系统的鲁棒性。算法的有效性以及对干扰的抑制作用通过Lyapuvov稳定性理论以及相关仿真实验得以证明。然后,将两个子系统控制方案整合到整体飞控系统中。经仿真验证,整体控制策略能够有效抑制不确定干扰给系统带来的影响,能够有效地实现定点悬停、轨迹跟踪等飞行任务,保障四旋翼的稳定飞行。最后,针对未经模型简化的四旋翼非线性动力学模型,研究了时不变通信拓扑下的多四旋翼一致性控制问题。针对欠驱动和全驱动两个子系统,结合动态面设计方法和一阶多智能一致性框架设计了多四旋翼一致性控制策略。针对大系统中存在的未知干扰,通过引入基于动态面的干扰观测器并在控制回路中进行补偿,有效地抑制了干扰。通过理论证明和仿真实验,一致性控制协议的有效性和鲁棒性得以证明。
【关键词】：四旋翼 动态面 一致性
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 研究背景和意义9-11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-16
• 1.2.1 四旋翼研究现状与发展11-14
• 1.2.2 多四旋翼编队控制14-16
• 1.3 本文研究内容和结构16-19
• 第2章 预备知识19-31
• 2.1 四旋翼无人机相关知识19-24
• 2.1.1 飞行原理概述19-20
• 2.1.2 坐标系选取与动力学模型的建立20-23
• 2.1.3 模型分析与控制方案23-24
• 2.2 动态面控制算法24-26
• 2.2.1 Lyapunov稳定性理论24-25
• 2.2.2 动态面设计方法25-26
• 2.3 多智能体一致性框架26-29
• 2.3.1 代数图论和矩阵理论26-27
• 2.3.2 基本一致性算法27-28
• 2.3.3 高阶严格反馈系统一致性框架28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第3章 四旋翼全驱、欠驱子系统控制算法设计31-43
• 3.1 四旋翼欠驱子系统控制算法31-35
• 3.1.1 控制算法设计32-33
• 3.1.2 稳定性分析33-35
• 3.2 四旋翼全驱子系统控制算法35-36
• 3.2.1 稳定性分析35-36
• 3.2.2 有限时间分析36
• 3.3 仿真结果与分析36-42
• 3.3.1 欠驱动子系统仿真结果36-40
• 3.3.2 全驱动子系统仿真结果40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 四旋翼整体控制算法设计43-49
• 4.1 总体设计方案与定点飞行仿真43-46
• 4.2 四旋翼特定飞行任务仿真46-48
• 4.2.1 分段连续轨迹跟踪46-47
• 4.2.2 盘旋上升飞行任务47-48
• 4.3 本章小结48-49
• 第5章 多四旋翼分布式一致性算法设计49-65
• 5.1 系统通信拓扑与控制方案49-50
• 5.2 无干扰多四旋翼一致性算法50-54
• 5.2.1 多四旋翼欠驱动一致性算法50-53
• 5.2.2 多四旋翼全驱动一致性算法53-54
• 5.3 有干扰多四旋翼一致性算法54-57
• 5.3.1 多四旋翼欠驱动一致性算法54-56
• 5.3.2 多四旋翼全驱动一致性算法56-57
• 5.4 系统仿真分析57-64
• 5.4.1 无干扰情况下的多四旋翼一致性仿真57-60
• 5.4.2 有干扰情况下的多四旋翼一致性仿真60-64
• 5.5 本章小结64-65
• 结论65-67
• 参考文献67-71
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单71-72
• 致谢72

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;未来10年将生产5448架军用旋翼机[J];航空维修与工程;2005年01期

2 陆洋;李建波;朱清华;;自转旋翼机配平及操纵响应特性[J];南京航空航天大学学报;2008年05期

3 道格拉斯·罗伊斯;赵;;民用旋翼机市场前景不容乐观[J];国际航空;2010年03期

4 徐慧;张伯虎;董文柱;石婷;;多功能无人旋翼机在公共安全方面的应用[J];现代电子技术;2011年20期

5 冯磊;佟勇;宋秀峰;;旋翼飞行器概述[J];科技创新导报;2012年29期

6 金德余;;航宇18-A型旋翼机[J];直升机技术;1994年03期

7 蔡汝鸿;;潜水艇载风筝式旋翼机[J];直升机技术;1994年04期

8 申斌;吴一波;林冬生;;旋翼机的发展与应用[J];科技传播;2013年23期

9 蔡汝鸿;;卡特旋翼机(三)——精彩纷呈的卡特旋翼机[J];航空知识;2005年06期

10 李长江;;新颖奇特的旋翼机[J];航空知识;1999年04期

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 唐正飞;;旋翼飞行器及其系统发展研究[A];航空科学技术学科发展报告（2010-2011）[C];2011年

2 章洪;;新概念“直升旋翼机”[A];第六届中国科学家论坛论文汇编[C];2007年

3 ;旋翼无人机参赛报告[A];2004中国空中机器人大赛论文汇编[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 张广林 张慧;世界旋翼机市场预测及产业发展的经验和启示[N];中国航空报;2008年

2 李昊;美陆军将启动高速旋翼机研制项目[N];中国航空报;2011年

3 本报记者 胡海波;自转旋翼机：会飞的“风车”[N];中国民航报;2011年

4 高翔;美陆军基于亚太战略评估其旋翼机计划[N];中国航空报;2012年

5 黎时;1923：旋翼机问世[N];中国航空报;2003年

6 姜曙光;未来十年生产5448架军用旋翼机[N];中国航空报;2004年

7 姜曙光;蒂尔预测未来十年旋翼机市场[N];中国航空报;2004年

8 王兰;轻型军用旋翼机市场将步入紧缩期[N];中国航空报;2011年

9 记者 刘军国;日本 美将如期部署“鱼鹰”旋翼机[N];人民日报;2012年

10 李昊;美国开展下一代高速旋翼机技术预研项目[N];中国航空报;2014年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王超;电控旋翼直升机气动特性研究[D];南京航空航天大学;2014年

2 朱清华;自转旋翼飞行器总体设计关键技术研究[D];南京航空航天大学;2007年

3 陈淼;自转式无人旋翼机飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

4 魏鹏;旋翼非定常流场的黏性涡数值模拟方法及其混合方法的研究[D];南京航空航天大学;2012年

5 肖中云;旋翼流场数值模拟方法研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2007年

6 彭程;共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究[D];吉林大学;2015年

7 邓寅U，

本文编号：998362