四旋翼无人机姿态控制的研究

发布时间：2017-10-09 19:43

  本文关键词：四旋翼无人机姿态控制的研究

  更多相关文章： 四旋翼无人机 反步自适应 反步滑模 L2鲁棒自适应

【摘要】：四旋翼无人机是一种具有六自由度,可垂直起降的无人飞行器。其机动性强、稳定性高、操作简单等特点使其在民用领域、军事领域都备受青睐,表现出了极强的使用价值。但四旋翼无人机是一个典型的具有强耦合性、欠驱动、非线性、易受外界环境干扰的系统,这使得很难对其进行精确建模,因此针对四旋翼无人机的控制(姿态、位置等)变的相对困难。本文设计四旋翼无人机姿态控制算法,并分别在系统参数摄动与外部变力矩干扰的条件下进行仿真实验,验证所提出算法的正确性与有效性。本文研究的主要内容包括:(1)四旋翼无人机动力学模型的建立。首先对四旋翼无人机的系统结构与飞行原理进行了分析,选用欧拉角作为姿态的描述方式,推导出载体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵。最后根据欧拉动力学方程与质心运动定理推导出四旋翼无人机的全状态非线性方程,并在假设条件下进行了简化。(2)四旋翼无人机姿态反步自适应控制。采用基于Lyapunov稳定判据的反步法设计四旋翼无人机姿态控制器,并在反步法中加入自适应控制律,动态的估计模型误差与外部干扰,增加系统鲁棒性。最后通过仿真实验验证其有效性。结果表明,当受到外部变力矩干扰时跟踪误差较大,其余时间控制性能较好。(3)四旋翼无人机姿态反步滑模控制。将反步控制与滑模控制相结合设计四旋翼无人机姿态控制器,滑模控制可以迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动,这样可以更好的解决系统参数摄动与外部干扰时系统的控制问题,增加了系统的鲁棒性。结果表明,当系统受到参数摄动与外部力矩干扰时,解决了反步自适应控制精度的问题,但该控制存在“抖震”的问题。(4)基于L2鲁棒自适应的四旋翼无人机姿态控制。根据四旋翼无人机的数学模型,运用反步法推导出L2鲁棒控制器,并将L2鲁棒控制与自适应控制相结合,自适应可动态估计外部干扰,增强了系统的鲁棒性。针对L2鲁棒自适应控制参数较多的问题,本文设计适应度函数,采用改进差分进化算法,对控制器参数进行离线优化。结果表明,当系统受到参数摄动与外部力矩干扰时,系统鲁棒性较强,很好的解决了上述两种方法存在的问题。本文建立了四旋翼无人机的非线性模型,设计四旋翼无人机的姿态控制器,为四旋翼无人机的未来研究提供了理论基础。
【关键词】：四旋翼无人机 反步自适应 反步滑模 L2鲁棒自适应
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.12
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题的研究背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 四旋翼无人机的发展趋势14-15
• 1.4 四旋翼无人机常用控制方法15-16
• 1.5 主要研究内容及结构安排16-18
• 第2章 四旋翼无人机原理分析与动力学建模18-26
• 2.1 引言18
• 2.2 四旋翼无人机飞行原理分析18-20
• 2.2.1 系统结构18
• 2.2.2 控制原理18-20
• 2.3 四旋翼无人机坐标系选取与坐标变换20-22
• 2.3.1 坐标系的选取20
• 2.3.2 坐标变换20-22
• 2.4 四旋翼无人机动力学模型建立22-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 基于反步自适应的四旋翼无人机姿态控制26-39
• 3.1 引言26
• 3.2 反步法控制原理26-30
• 3.3 反步自适应的姿态控制器设计30-34
• 3.3.1 基于反步法的姿态控制器设计31-33
• 3.3.2 基于反步自适应姿态控制器设计33-34
• 3.4 仿真实验与分析34-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 基于反步滑模的四旋翼无人机姿态控制39-45
• 4.1 引言39
• 4.2 基于反步滑模的姿态控制器设计39-41
• 4.3 仿真实验与分析41-44
• 4.4 本章小节44-45
• 第5章 基于L_2鲁棒自适应的四旋翼无人机姿态控制45-63
• 5.1 引言45
• 5.2 L_2鲁棒控制原理45-51
• 5.2.1 非线性鲁棒控制理论的提出45-46
• 5.2.2 无源性与稳定性46-47
• 5.2.3 耗散性与L2性能准则47-48
• 5.2.4 存储函数的递推设计48-51
• 5.3 L_2鲁棒自适应姿态控制器设计51-54
• 5.3.1 L_2控制问题描述51-52
• 5.3.2 控制器设计52-54
• 5.4 控制器参数优化54-57
• 5.4.1 差分进化算法的基本原理54-55
• 5.4.2 变异操作55
• 5.4.3 交叉操作55-56
• 5.4.4 选择操作56-57
• 5.4.5 改进差分进化算法总体流程57
• 5.5 仿真实验与分析57-62
• 5.6 本章小结62-63
• 第6章 结论63-65
• 6.1 总结63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-68
• 在学研究成果68-69
• 致谢69

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 辛健成;美国海军无人机发展历程[J];机器人技术与应用;2000年05期

2 时兆峰;以色列组建专门的无人机管理部门[J];飞航导弹;2001年10期

3 徐文;俄罗斯的无人机系统——格兰特[J];飞航导弹;2003年07期

4 何一波;各国使用的主要轻型无人机[J];飞航导弹;2003年11期

5 马晓平;系统工程学在无人机研制中的应用[J];航空科学技术;2003年04期

6 柯边;“影子200”战术无人机[J];航天电子对抗;2003年06期

7 温羡峤,李英;从美国无人机的发展来看无人机在未来战争中的应用前景[J];现代防御技术;2003年05期

8 王永寿;日本无人机的研究开发现状与动向[J];飞航导弹;2003年08期

9 袁刚辉;徐志红;;不断壮大的俄罗斯无人机家族[J];现代兵器;2003年02期

10 徐文;俄罗斯无人机的发展现状[J];飞航导弹;2004年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王林;张庆杰;朱华勇;沈林成;;远程异地多无人机系统控制权切换技术研究[A];2009中国控制与决策会议论文集（3）[C];2009年

2 谭健美;张琚;闫娟;;信息无人机系统——无人机发展史上新的里程碑[A];第二届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2006年

3 黄爱凤;邓克绪;;民用无人机发展现状及关键技术[A];第九届长三角科技论坛——航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集[C];2012年

4 刘长亮;;无人机发动机气道开度自适应机构的设计与实现[A];2009年中国智能自动化会议论文集（第三分册）[C];2009年

5 丁霖;;无人机系统人机交互界面浅析[A];探索 创新 交流（第4集）——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年

6 刘泽坤;吕继淮;;舰载无人机系统的环境适应性[A];人—机—环境系统工程创立20周年纪念大会暨第五届全国人—机—环境系统工程学术会议论文集[C];2001年

7 叶烽;宋祖勋;;无人机系统电磁兼容性测试研究[A];第十四届全国电磁兼容学术会议论文集[C];2004年

8 易当祥;吕国志;沈玲玲;;多级路况下车载无人机疲劳载荷仿真[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年

9 钱正祥;金继才;杨鹭怡;;未来局部战争中反无人机作战对策研究[A];探索创新交流－－中国航空学会青年科技论坛文集[C];2004年

10 高鹏骐;晏磊;赵红颖;何定洲;;无人机遥感控制平台的设计与实现[A];第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2005年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 洪山;法国、德国和西班牙签约共同研发三国无人机系统[N];中国航空报;2007年

2 崔玺康;对抗无人机所面临的新挑战[N];中国航空报;2007年

3 林英;无人机将进入现代化农业领域[N];光明日报;2007年

4 本报记者 陈永杰　马佳;中国无人机亮相：战争“零伤亡”将实现[N];北京科技报;2008年

5 祖茜枫;“综合者”：携带小导弹的小无人机[N];中国国防报;2008年

6 王磊;印度期望打造强大无人机部队[N];学习时报;2009年

7 李荔;无人机“俯瞰”黄河灾情[N];北京科技报;2011年

8 本报记者 宋斌斌;我国无人机应用高端化趋势明显[N];中国工业报;2011年

9 吴飞;反恐十年无人机扶摇直上[N];中国航空报;2011年

10 司古;美无人机遭神秘病毒入侵[N];国防时报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刘洋;动态环境中的无人机路径规划研究[D];西北工业大学;2015年

2 陈岩;蚁群优化理论在无人机战术控制中的应用研究[D];国防科学技术大学;2007年

3 林林;基于协同机制的多无人机任务规划研究[D];北京邮电大学;2013年

4 刘春阳;无人机隐身技术若干问题研究[D];西安电子科技大学;2012年

5 王小刚;非线性滤波方法在无人机相对导航上的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

6 黄国勇;变推力轴线无人机飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2009年

7 郑维刚;基于无人机红外影像技术的配电网巡检系统研究[D];沈阳农业大学;2014年

8 许德新;无人机光电载荷视轴稳定技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

9 唐晏;基于无人机采集图像的植被识别方法研究[D];成都理工大学;2014年

10 王世华;碟型涵道式无人机总体设计及飞行控制系统理论与仿真研究[D];复旦大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 赵敏;分布式多类型无人机协同任务分配研究及仿真[D];南京理工大学;2009年

2 刘志花;无人机故障预测与健康管理技术研究[D];北京化工大学;2010年

3 刘爱兵;可变形无人机设计[D];南京航空航天大学;2009年

4 易姝姝;无人机飞行场景及数据的可视化仿真与实现[D];电子科技大学;2010年

5 张佳璐;无人机项目综合评价研究[D];北京邮电大学;2011年

6 赵志鸿;某型无人机双发火箭助推发射动力学建模与仿真研究[D];南京理工大学;2007年

7 李建华;某无人机发射系统技术研究[D];南京理工大学;2008年

8 戴世通;无人机飞行可视化仿真系统设计[D];西安理工大学;2008年

9 曹攀峰;敌对与非敌对环境下无人机群的协同搜索路径与策略研究[D];复旦大学;2010年

10 张锡宪;无人机测控中数据传输系统设计与实现[D];电子科技大学;2009年

，

本文编号：1002076