【摘要】：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、強耦合、多變量等特性,且在實際飛行系統(tǒng)中會受到多種物理效應的作用以及外部環(huán)境的干擾,因此極難設計其控制器。但是,當前在軍事和民用各個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)場的實時偵察和監(jiān)視、重大自然災害之后的搜救等。為使其飛行品質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)控制是飛行器實際飛行的重要保障之一,同時,旋翼飛行器作為一個研究平臺,可以進行姿態(tài)檢測,非線性系統(tǒng)控制、智能控制等研究,具有非常重要的研究價值。因此開展四旋翼飛行器的姿態(tài)控制研究有著重要意義。本文針對四旋翼飛行器進行模型建立,并分析和設計了姿態(tài)控制器,主要進行了以下幾個方面的研究工作:(1)在調研了目前國內外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀和相關技術的基礎上,對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)的非線性動力學模型。(2)對四旋翼飛行器模型進行簡化處理,應用二次線性最優(yōu)控制(LQR)的原理,設計了基于簡化模型的的姿態(tài)控制器,并通過系統(tǒng)的仿真模型驗證了該控制器的可行性。然而,由于簡化模型的不準確造成姿態(tài)角的超調,考慮到在實際飛行過程中可能會導致機體失去平衡,需對控制器進行改進。(3)針對四旋翼飛行器的非線性模型,設計基于自抗擾控制器(ADRC)的四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)。仿真結果表明,所設計的控制器可以實現(xiàn)各姿態(tài)角之間的解耦,且能夠明顯克服干擾的作用。在此基礎上,利用Lyapunov方法論證所設計控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(4)針對ADRC參數(shù)多且難以整定的問題,提出線性自抗擾控制器(LADRC)的設計思想。利用四旋翼飛行器的非線性動態(tài)模型信息,對線性擴張狀態(tài)觀測器(LESO)進行重構設計姿態(tài)控制器,該控制器不僅能夠對當前系統(tǒng)的總擾動進行快速跟蹤與估計,而且可以實時補償總擾動。仿真結果表明,所設計的姿態(tài)控制器魯棒性能最佳。在此基礎上,利用頻域特性分析論證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后,為了驗證所設計控制器的有效性和實用性,在四旋翼飛行器半實物平臺上進行實時控制實驗。實時實驗表明,相比于LQR和ADRC,本文設計的LADRC既可以有效減少各姿態(tài)角的超調量以及跟蹤誤差,又可使系統(tǒng)在受到未知擾動的情況下仍能保持更好的穩(wěn)定性。
【圖文】：

模型對于系統(tǒng)的設計、分析和研究是至關重要的，，用拉格朗日-歐拉法和牛頓-歐拉法。本章主要在分根據(jù)系統(tǒng)實際結構，忽略一些次要因素，應用牛動態(tài)本質，又能簡化分析計算的數(shù)學模型，為控制的工作原理介紹uadrotor)的機體固定聯(lián)接在一個剛性十字交叉結構翼轉動提供飛行動力，通過改變電機轉動速度可的飛行姿態(tài)和位置控制[32]。由于四旋翼飛行器有四由度的輸出量，因此四旋翼飛行器是一個典型欠所示。

統(tǒng)模型建立其建立器姿態(tài)和位置的數(shù)學模型，首先需要建立地面-2 所示[33]。通過地面坐標系描述四旋翼飛行的姿態(tài)，其姿態(tài)角、飛行速度的大小以及飛行。YZ )，固連于飛行器本體上且遵循右手法則的此坐標系原點，四旋翼飛行器機頭和機尾連正方向，Y 軸則垂直于機體參考平面并選取機軸在參考平面內過質心且垂直于 X 軸與Y 軸所隨機體的轉動而轉動。YZ )，是固定于地球表面并確定機體相對于地定點為原點，OX 軸指向地面平面的任意方向OZ 軸克服引力向上，OY 軸與OZ 軸構成的平坐標系來量度四旋翼飛行器的位置、姿態(tài)、速
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1

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本文編號：2542830