低速四旋翼飛行器的姿態(tài)控制研究.pdf

1、低速四旋翼飛行器是具有六自由度的一種非共軸式蝶形飛行器，其具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量等特性，且在實(shí)際飛行系統(tǒng)中會(huì)受到多種物理效應(yīng)的作用以及外部環(huán)境的干擾，因此極難設(shè)計(jì)其控制器。但是，當(dāng)前在軍事和民用各個(gè)方面都有大量人力無法解決的問題急需旋翼飛行器去處理，特別是低速四旋翼飛行器，如地面戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)偵察和監(jiān)視、重大自然災(zāi)害之后的搜救等。為使其飛行品質(zhì)在各種干擾下都保持快速穩(wěn)定的水平，保證在各極端環(huán)境下正常使用，姿態(tài)控制是飛行器實(shí)際飛行的重要保

2、障之一，同時(shí)，旋翼飛行器作為一個(gè)研究平臺(tái)，可以進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)，非線性系統(tǒng)控制、智能控制等研究，具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。因此開展四旋翼飛行器的姿態(tài)控制研究有著重要意義。
　　本文針對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行模型建立，并分析和設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制器，主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　(1)在調(diào)研了目前國(guó)內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)四旋翼飛行器的特性以及系統(tǒng)受力情況的分析，建立系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型。
　　(2)對(duì)

3、四旋翼飛行器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，應(yīng)用二次線性最優(yōu)控制(LQR)的原理，設(shè)計(jì)了基于簡(jiǎn)化模型的的姿態(tài)控制器，并通過系統(tǒng)的仿真模型驗(yàn)證了該控制器的可行性。然而，由于簡(jiǎn)化模型的不準(zhǔn)確造成姿態(tài)角的超調(diào)，考慮到在實(shí)際飛行過程中可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體失去平衡，需對(duì)控制器進(jìn)行改進(jìn)。
　　(3)針對(duì)四旋翼飛行器的非線性模型，設(shè)計(jì)基于自抗擾控制器(ADRC)的四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器可以實(shí)現(xiàn)各姿態(tài)角之間的解耦，且能夠明顯克服干擾的

4、作用。在此基礎(chǔ)上，利用Lyapunov方法論證所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　(4)針對(duì)ADRC參數(shù)多且難以整定的問題，提出線性自抗擾控制器(LADRC)的設(shè)計(jì)思想。利用四旋翼飛行器的非線性動(dòng)態(tài)模型信息，對(duì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(LESO)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器，該控制器不僅能夠?qū)Ξ?dāng)前系統(tǒng)的總擾動(dòng)進(jìn)行快速跟蹤與估計(jì)，而且可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償總擾動(dòng)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器魯棒性能最佳。在此基礎(chǔ)上，利用頻域特性分析論證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。