本文關鍵詞：基于魯棒補償?shù)男⌒蜔o人機飛行控制方法研究

  更多相關文章： 小型無人機控制 魯棒補償 魯棒誤差積分 二階一致性跟蹤 非集中式編隊控制 滑模觀測器

【摘要】：隨著電子器件和傳感裝置的微型化、輕量化以及性能的不斷提高,各種類型的小型無人機在近年來得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應用。相對于中、大型無人機系統(tǒng),小型無人機體積小、重量輕、成本低,具有起飛回收條件要求低、操作簡單、部署快速靈活以及可消耗等特點,各種小型旋翼無人機更是能夠進行垂直起降和懸停飛行,因此在軍事和民用領域有著極大的發(fā)展前景。然而,由于小型無人機氣動外形靈活多變且低速小尺寸飛行器的空氣動力學特性復雜,是一個欠驅(qū)動、強耦合、受低空氣流擾動影響大的高階非線性系統(tǒng),對其自主飛行控制的研究具有很高的挑戰(zhàn)性和重要的理論與現(xiàn)實意義。本論文針對小型無人機的自主飛行控制問題進行理論研究與實驗驗證,基于魯棒補償?shù)乃枷敕謩e對單架無人機線性控制器的改進、單架無人機非線性魯棒姿態(tài)控制問題、多架無人機非集中式二階一致性跟蹤問題以及多架無人機非集中式編隊飛行控制問題進行輸出反饋控制算法的設計與驗證,改善小型無人機的飛行控制性能,并降低控制器復雜度,主要研究內(nèi)容可概括為:由于經(jīng)典的小型無人機線性控制方法具有結構簡單、實現(xiàn)容易等優(yōu)點,成為目前使用最為普遍和成熟的控制方法。但線性控制方法也存在著性能不高、魯棒性和抗擾動能力有限等局限性。本文結合魯棒補償?shù)乃枷胍约胺蔷�性滑模觀測器技術,在小型無人機經(jīng)典線性控制器的基礎上增加了對外界擾動和不確定性影響的補償項,提出了基于滑模觀測技術的小型旋翼無人機魯棒輸出反饋姿態(tài)控制方法,在一定程度上克服了線性控制器的局限性,提高了控制器性能。該方法以小型旋翼無人機的二階簡化模型為基礎,分別設計了經(jīng)典線性二次型調(diào)節(jié)器和一個輸出注入滑模觀測器。提出的滑模觀測器能夠通過位置測量信號估計得到各狀態(tài)的速度信號以及折算到控制器輸出端的外界擾動和不確定性作用量,其估計量逼近真實量的有限時間收斂性通過基于李雅普諾夫的方法進行了證明。由該方法得到的控制器一方面使用觀測器得到的補償量改善了控制性能,另一方面也利用觀測到的狀態(tài)信息實現(xiàn)了輸出反饋控制,減少了對無人機上安裝速度傳感器的需要,其有效性通過數(shù)值仿真的方式進行了驗證。在線性控制器的基礎上增加非線性魯棒補償器雖然能夠一定程度的提高控制性能,但由于線性控制器基于被控對象在設計平衡點處的線性化模型,在遠離平衡點的狀態(tài)下控制性能仍然有限。為進一步提高輸出反饋控制器的性能和穩(wěn)定性,本文基于新出現(xiàn)的魯棒誤差符號積分控制方法,提出了一種小型旋翼無人機非線性魯棒輸出反饋姿態(tài)控制方法。該方法以僅包含少量非線性特性的小型旋翼無人機二階簡化模型為基礎,首先設計了一個濾波輔助系統(tǒng),根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性分析的結果設計濾波后的誤差信號和控制器結構,并對新誤差信號的符號進行積分后得到不確定性與擾動補償器的表達式。通過基于李雅普諾夫的方法可證明得到的控制器能夠在使用輸出反饋的情況下,對任意有界且三階可微的參考信號實現(xiàn)半全局漸近跟蹤,其包含的魯棒補償項對外界擾動和不確定性的逼近能力也同樣得到了證明。為驗證該方法的有效性,本文將其應用到了一套三自由度直升機實驗平臺上,并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析與比較。本文提出的上述兩種方法均針對單架無人機的控制,取得了有益的結論。隨著小型無人機成本的下降,使用多架無人機協(xié)同飛行由于具有更高的靈活性和冗余性,得到了越來越廣泛的應用,但現(xiàn)有的多無人機協(xié)同控制方法具有眾多的局限性。因此本文基于上述對單架小型無人機飛行控制的研究成果,結合目前在一致性問題研究方面的新進展,進一步提出了一種基于輸出反饋和魯棒補償?shù)亩酂o人機二階一致性跟蹤控制方法。該方法通過新設計的一致性控制器,將非集中式的一致性跟蹤問題轉化為了僅使用本地可獲取信息的各子系統(tǒng)的控制問題。隨后結合本文對單機控制的研究成果,設計了各子系統(tǒng)的輸出反饋非線性魯棒控制器,并通過基于李雅普諾夫的方法證明了多機系統(tǒng)的二階一致性跟蹤能力。為驗證該方法的有效性,本文使用四臺三自由度直升機搭建了一套多機實驗驗證平臺,將該方法應用到了該平臺上,并對得到的實驗數(shù)據(jù)進行了分析與討論。一致性問題作為一類多機協(xié)同控制問題的理論抽象,其重要應用之一即為多架無人機的編隊飛行控制。因此在本文的最后一部分,結合上述在多無人機非集中式二階一致性跟蹤問題的研究成果,提出了一種基于輸出反饋和魯棒補償技術的非集中式多無人機編隊飛行控制方法。該方法通過重新定義一致性跟蹤控制器的誤差信號,將非集中式的編隊控制問題轉化為了一致性跟蹤控制問題。為解決無人機的欠驅(qū)動問題,提出了一種級聯(lián)的分層控制器結構,并將其整合到了所提出的非集中式編隊控制器中。類似的,通過基于李雅普諾夫的方法證明了多機系統(tǒng)的輸出反饋編隊跟蹤能力,最后通過數(shù)值仿真對該方法的有效性進行了驗證,得到了有益的結論。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 范麗京;;美國、以色列小型無人機發(fā)展概覽[J];航空科學技術;2007年03期

2 付鵬偉;;小型無人機對地目標盤旋跟蹤仿真[J];通信技術;2012年01期

3 更云;;波音公司聯(lián)合謝菲爾德大學利用3D打印技術制造小型無人機[J];輕兵器;2014年09期

4 云超;李小民;鄭宗貴;劉品;;中小型無人機建模分析與仿真研究[J];計算機仿真;2013年11期

5 陸佩華;小型無人機作用不小[J];科學啟蒙;1996年06期

6 侯帥;李文杰;;美陸軍正評估小型無人機系統(tǒng)[J];飛航導彈;2005年11期

7 張元明,趙鵬飛,何穎,趙景麗;熱壓罐成型小型無人機機體結構用復合材料[J];玻璃鋼/復合材料;2005年02期

8 文蘇麗;阿雯;;小型無人機將成為美國新無人飛行系統(tǒng)項目的主力[J];飛航導彈;2008年11期

9 孫曉媛;;某小型無人機空中風干擾模擬的簡易算法與實現(xiàn)[J];大眾科技;2008年05期

10 何煦虹;蔣琪;;雷錫恩公司為小型無人機提供重油發(fā)動機[J];飛航導彈;2008年09期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 李曉宇;蒲立;唐小虎;;小型無人機的圖像采集系統(tǒng)及目標識別[A];2004中國空中機器人大賽論文匯編[C];2004年

2 趙欣欣;劉培志;王晉華;瞿蓉;;微小型無人機飛行信息在電子地圖上的實時處理[A];全國第二屆信號處理與應用學術會議專刊[C];2008年

3 辛哲奎;方勇純;張玉東;申輝;張葛;;基于視覺的小型無人機地面目標狀態(tài)估計[A];第二十九屆中國控制會議論文集[C];2010年

4 蒲立;李曉宇;王挺;唐小虎;韓志杰;;簡化配置小型無人機系統(tǒng)及其模糊PID控制[A];2004中國空中機器人大賽論文匯編[C];2004年

5 潘倩兮;趙龍;張常云;;自適應Kalman濾波算法在小型無人機自主導航中的應用[A];第二屆中國衛(wèi)星導航學術年會電子文集[C];2011年

6 王剛;胡峪;宋筆鋒;;基于正彎度翼型的手擲飛翼布局小型無人機優(yōu)化設計[A];探索 創(chuàng)新 交流——第五屆中國航空學會青年科技論壇文集(第5集)[C];2012年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 記者 俞慧友 通訊員 周威;國防科大學員自主研發(fā)新型救災小型無人機[N];科技日報;2013年

2 ;俄羅斯利用無人機查找非法移民有收獲[N];新華每日電訊;2009年

3 吳蔚;FAA公布小型無人機空域飛行取證基本規(guī)定[N];中國航空報;2008年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李湛;基于魯棒補償?shù)男⌒蜔o人機飛行控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李建明;低空輕小型無人機遙感圖像快速拼接關鍵技術研究[D];中國地質(zhì)大學(北京);2015年

2 劉慧;基于超聲波測距技術的小型無人機高度測量方法研究[D];內(nèi)蒙古工業(yè)大學;2015年

3 烏仁格日樂;小型無人機自駕儀傳感器子系統(tǒng)的研究與設計[D];內(nèi)蒙古工業(yè)大學;2009年

4 聶志彪;小型無人機導航與制導關鍵技術研究[D];南京航空航天大學;2009年

5 龔曉莉;小型無人機自駕儀通信子系統(tǒng)設計[D];內(nèi)蒙古工業(yè)大學;2007年

6 劉宇清;小型無人機綜合性能測試臺的設計與優(yōu)化[D];西安建筑科技大學;2009年

7 馬少瑛;小型無人機地面站的研究與設計[D];內(nèi)蒙古工業(yè)大學;2009年

8 劉娟;小型無人機地面站電子地圖子系統(tǒng)研究與設計[D];內(nèi)蒙古工業(yè)大學;2009年

9 邢向亮;小型無人機發(fā)動機支撐系統(tǒng)優(yōu)化設計[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2012年

10 孫雨;小型無人機通信系統(tǒng)的研究與構建[D];華南理工大學;2011年

，

本文編號：1151755