面向四旋翼無(wú)人機(jī)的非線性控制方法與實(shí)現(xiàn).pdf

1、飛行控制技術(shù)是四旋翼無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在考慮四旋翼無(wú)人機(jī)非線性、靜不穩(wěn)定、欠驅(qū)動(dòng)、軸間耦合等特性的基礎(chǔ)上，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系、動(dòng)力學(xué)模型和執(zhí)行器系統(tǒng)進(jìn)行了建模和辨識(shí)，圍繞四旋翼無(wú)人機(jī)的精確、穩(wěn)定飛行控制問(wèn)題展開(kāi)研究。首先深入研究了四旋翼無(wú)人機(jī)執(zhí)行器的原理和特性，提出了一種基于極限學(xué)習(xí)機(jī)（Extreme Learning Machine，ELM）的四旋翼執(zhí)行器故障檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行器系統(tǒng)的在實(shí)時(shí)在線故障檢測(cè)。針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的全狀態(tài)

2、反饋控制問(wèn)題，進(jìn)一步在精確模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于命令濾波反步法（Command Filtered Backstepping，CFBS）的四旋翼非線性控制器，該控制器能保證各狀態(tài)大范圍漸近穩(wěn)定;并進(jìn)一步提出了一種基于飛行狀態(tài)的參數(shù)調(diào)度策略，提高該控制器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能?；谀Ｐ偷目刂品椒ㄒ蕾嚤豢貙?duì)象的精確模型，本文還探究了基于學(xué)習(xí)策略的控制方法，降低了控制器對(duì)精確模型的依賴，設(shè)計(jì)了一種ELM輔助的在線訓(xùn)練四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制器

3、，在實(shí)際應(yīng)用中性能優(yōu)良。本文研究的創(chuàng)新成果如下:
　　(1)針對(duì)一種典型的四旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，建立了非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、非線性動(dòng)力學(xué)模型和執(zhí)行器模型。重點(diǎn)提出了參數(shù)測(cè)定和辨識(shí)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理參數(shù);并圍繞一組典型的四旋翼無(wú)人機(jī)執(zhí)行器系統(tǒng)，通過(guò)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)建立了執(zhí)行器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示所辨識(shí)的模型具有足夠的精度。該參數(shù)測(cè)定和辨識(shí)方法可以用于多種旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的建模。
　　(2)針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)在線執(zhí)行器故障檢

4、測(cè)需求，提出了一種故障檢測(cè)方法。首先使用一個(gè)ELM網(wǎng)絡(luò)表征執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)模型，并定時(shí)使用執(zhí)行器的輸入、輸出和狀態(tài)數(shù)據(jù)訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)，將執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性映射到該網(wǎng)絡(luò)的輸出矩陣中;進(jìn)一步通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出矩陣的范數(shù)，可以實(shí)時(shí)了解執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性變化，從而判斷是否發(fā)生故障。該方法最終在自制旋翼系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法能夠在主流執(zhí)行器硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，且對(duì)早期微小故障和嚴(yán)重故障都具有很高的靈敏度。
　　(3)提出了一種基于CFBS的面

5、向四旋翼無(wú)人機(jī)的全狀態(tài)反饋控制器，被控系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能且大范圍漸近穩(wěn)定。為了進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)精度，同時(shí)降低執(zhí)行器飽和風(fēng)險(xiǎn)，在該控制器的基礎(chǔ)上提出了一種參數(shù)調(diào)度機(jī)制。依據(jù)實(shí)際飛行狀態(tài)，在系統(tǒng)穩(wěn)定條件范圍內(nèi)調(diào)度控制器的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)每一級(jí)誤差能量的收斂速度，從而獲得兩點(diǎn)有益效果:1）降低控制信號(hào)在快速跟蹤過(guò)程中的幅度，降低了執(zhí)行器飽和的風(fēng)險(xiǎn);2）提高控制器在調(diào)節(jié)過(guò)程中的控制作用，減小調(diào)節(jié)誤差。該控制器在實(shí)際無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)并測(cè)試

6、，對(duì)比控制方法包括:基于動(dòng)態(tài)面控制(Dynamic SurfaceControl，DSC)和基于串級(jí)PID設(shè)計(jì)的控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該控制器在實(shí)際系統(tǒng)中具有良好的控制性能。
　　(4)針對(duì)基于串級(jí)PID飛控系統(tǒng)參數(shù)整定繁瑣的問(wèn)題，在串級(jí)PID姿態(tài)控制器的基礎(chǔ)上，提出了一種ELM輔助的在線訓(xùn)練四旋翼姿態(tài)控制器。該控制器包含一個(gè)ELM網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，該網(wǎng)絡(luò)能表征包含軸間耦合的被控四旋翼角速率子系統(tǒng)逆模型。由于引入的網(wǎng)絡(luò)控制器使用實(shí)際

7、飛行數(shù)據(jù)在線訓(xùn)練，所以在設(shè)計(jì)階段無(wú)需被控對(duì)象的精確先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ揈LM網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練后被用作直接逆控制器，ELM網(wǎng)絡(luò)的輸出和PID控制器的輸出相加后，作用于被控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在線訓(xùn)練后四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行品質(zhì)提高，內(nèi)環(huán)跟蹤誤差和跟蹤滯后降低。
　　(5)非線性控制器在實(shí)際系統(tǒng)中的實(shí)施依賴于硬件平臺(tái)。結(jié)合非線性飛行控制需求和四旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，詳細(xì)討論并分別設(shè)計(jì)了基于DSP和AR