小型四旋翼無人飛行器非線性控制方法研究.pdf

1、小型四旋翼無人機(jī)是一種性能卓越且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單的新型無人飛行器.它不僅輕巧攜帶方便，且具有隱蔽性強(qiáng)、噪音小、后期維護(hù)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且還涉及到眾多領(lǐng)域的高尖端技術(shù)交叉融合，具備了重要的研究價(jià)值.本文將以四旋翼飛行器的姿態(tài)系統(tǒng)和常規(guī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)作為研究對象，針對飛行器系統(tǒng)所遭受的外界擾動(dòng)、慣性參數(shù)不確定以及執(zhí)行器部分失效等問題，設(shè)計(jì)自適能力強(qiáng)、魯棒性好的飛行控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)和位置（路徑）的跟蹤控制.本文主要做了以下幾方面的工作:
　　

2、1.本文首先分析并建立了四旋翼飛行器的姿態(tài)系統(tǒng)與常規(guī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，分析了在一般意義下四旋翼飛行器的執(zhí)行器在有無部分失效時(shí)其控制輸入信號(hào)的相互關(guān)系，并給出了被控對象的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)章節(jié)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供研究對象.
　　2.考慮了在四旋翼飛行器的姿態(tài)系統(tǒng)與常規(guī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型下含有外界擾動(dòng)與慣性參數(shù)不確定的飛行控制問題.首先在姿態(tài)系統(tǒng)中，利用反步方法來綜合設(shè)計(jì)控制器，采用模糊邏輯系統(tǒng)對系統(tǒng)中不確定函數(shù)部分進(jìn)行在線逼近，引入帶有模糊監(jiān)

3、督策略的自適應(yīng)魯棒項(xiàng)對外界擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而抑制了擾動(dòng)對控制系統(tǒng)所造成的不利影響.緊接著，在四旋翼飛行器常規(guī)動(dòng)態(tài)模型下構(gòu)造雙閉環(huán)控制系統(tǒng).在外環(huán)路中根據(jù)指令信號(hào)與反饋狀態(tài)量間的偏差來設(shè)計(jì)虛擬控制律，同時(shí)此虛擬控制律又作為內(nèi)環(huán)路的指令信號(hào)，進(jìn)而設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)路控制器.對于內(nèi)外環(huán)路中所遭受擾動(dòng)的影響，有針對性的在各環(huán)路中加入魯棒項(xiàng)來進(jìn)行補(bǔ)償.通過內(nèi)外控制環(huán)路的相互協(xié)調(diào)配合，可以使得跟蹤誤差能夠收斂到穩(wěn)定點(diǎn)的鄰域內(nèi).仿真表明了所設(shè)計(jì)的控制算法的有效

4、性.
　　3.研究了四旋翼飛行器姿態(tài)系統(tǒng)在雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)下，基于有限時(shí)間策略的自適應(yīng)滑模控制方法.在內(nèi)外環(huán)路中分別引入一種帶有雙積分跟蹤偏差的終端滑動(dòng)平面，并由此綜合設(shè)計(jì)控制器.在所設(shè)計(jì)的控制器中，采用在線自適應(yīng)魯棒補(bǔ)償項(xiàng)來補(bǔ)償并抑制外界擾動(dòng)對系統(tǒng)造成的不良影響.所推出的方法可以保證跟蹤誤差在有限時(shí)間收斂到穩(wěn)定點(diǎn)的鄰域內(nèi).對于常規(guī)動(dòng)態(tài)模型，采用同樣的方法來設(shè)計(jì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終在內(nèi)外控制環(huán)路的共同作用下使得整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定.

5、　　4.針對四旋翼飛行器姿態(tài)系統(tǒng)模型和常規(guī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型下的執(zhí)行器部分失效性問題，分別設(shè)計(jì)了自適應(yīng)滑模補(bǔ)償控制方法.在姿態(tài)系統(tǒng)中，當(dāng)執(zhí)行器發(fā)生部分失效性時(shí)，采用在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)理來設(shè)計(jì)控制器，所設(shè)計(jì)的控制器將根據(jù)跟蹤偏差的信息來綜合調(diào)節(jié)補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng).而在常規(guī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，采用直接估計(jì)比例因子的方法來對執(zhí)行器部分失效進(jìn)行補(bǔ)償.在控制器的設(shè)計(jì)中還加入輔助函數(shù)，不僅使得控制器的增益可以根據(jù)滑模狀態(tài)的有效信息進(jìn)行變化，而且還可柔化控制信號(hào)減弱抖振.