【摘要】：四旋翼飛行器是目前應(yīng)用最為廣泛的小型無人駕駛飛行器,通過改變四個對稱分布旋翼之間的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)包括垂直起飛和著陸在內(nèi)的多種飛行姿態(tài)。這類飛行器具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡易、操控簡單、運(yùn)動靈敏等特點(diǎn)。然而四旋翼飛行器是一個欠驅(qū)動系統(tǒng),其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的難度。四旋翼飛行控制系統(tǒng)包括姿態(tài)、速度和位置控制,其中姿態(tài)控制屬于控制器中的核心內(nèi)環(huán),其穩(wěn)定性和控制性能關(guān)系到整個四旋翼系統(tǒng)的飛行性能。四旋翼飛行控制系統(tǒng)的姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題,開展姿態(tài)控制算法的相關(guān)研究工作具有重要的學(xué)術(shù)研究價值。本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,在四旋翼姿態(tài)控制算法方面開展了深入的研究工作,具體如下:1.針對四旋翼的姿態(tài)控制問題,結(jié)合自適應(yīng)算法及反步滑模算法設(shè)計(jì)了一種帶擾動觀測器的姿態(tài)控制器。首先根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)設(shè)計(jì)了反步滑�？刂坡�,并引入積分自適應(yīng)律來克服模型的參數(shù)擾動以及系統(tǒng)外部干擾。針對系統(tǒng)的不確定干擾,其擾動值的邊界問題往往難以估計(jì),對此本文設(shè)計(jì)了一種擾動觀測器。對不可測擾動進(jìn)行了實(shí)時估計(jì),提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。最后在MATLAB/Simulink平臺下進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的控制器具有更好的魯棒性。2.結(jié)合四旋翼多輸入和多輸出的特征,設(shè)計(jì)了基于模型預(yù)測控制算法的姿態(tài)控制器。預(yù)測控制算法具有天然的解耦能力,能夠有效的處理變量之間的耦合影響。本文采用了基于狀態(tài)空間模型的線性預(yù)測控制算法,針對四旋翼非線性模型設(shè)計(jì)了圍繞每個狀態(tài)點(diǎn)做線性化的處理方法,盡量保留系統(tǒng)參數(shù)間耦合關(guān)系減少了模型的失配。為了保證無偏跟蹤,對模型做增量擴(kuò)展,將輸出等信息加入到狀態(tài),并通過卡爾曼濾波算法進(jìn)行狀態(tài)反饋校正。該控制器參數(shù)調(diào)節(jié)靈活簡單,可以匹配目前主流硬件平臺的運(yùn)算能力,最后在MATLAB上驗(yàn)證了算法有效性。3.根據(jù)經(jīng)典無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四旋翼飛行器的整體架構(gòu)設(shè)計(jì),包括機(jī)架、動力系統(tǒng)與地面站等指揮控制系統(tǒng)的選型與安裝等,最終搭建了四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺。然后設(shè)計(jì)了經(jīng)典的串級PID控制器實(shí)現(xiàn)了飛行器的總體控制,包括外環(huán)位置控制與姿態(tài)內(nèi)環(huán)控制。最后在實(shí)物平臺上進(jìn)行了飛行測試,經(jīng)測試所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺可以實(shí)現(xiàn)良好運(yùn)行,滿足控制效果�？蔀楹罄m(xù)的先進(jìn)算法驗(yàn)證提供物理平臺。
【圖文】：

邐杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文邐逡逑性是十分必要的。開展關(guān)于四旋翼的相關(guān)研宄工作，設(shè)計(jì)出高效的控制算法以及姿態(tài)控制器逡逑等創(chuàng)新研究工作，對我國飛行器發(fā)展具有重要意義。逡逑１．２四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀逡逑１．２．１四旋翼飛行器發(fā)展歷程逡逑四旋翼飛行器的歷史最早可以追溯到上個世紀(jì)初，在過去的１００多年里，，四旋翼飛行器逡逑經(jīng)歷了多代的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。早在１９０７年，來自法國的Ｂｒｅｇｕｅｔ兄弟在Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｒｉｃｈｅｔ教授的逡逑指導(dǎo)下運(yùn)用空氣動力學(xué)原理設(shè)計(jì)完成了世界上首架四旋翼飛行器［９］。如圖１．１所示，因設(shè)計(jì)逡逑中并沒有考慮各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，也沒有使用相關(guān)的控制方法，最終該飛行器進(jìn)行飛行試逡逑驗(yàn)時在空中僅飛行了邋１．５米，但這是記錄的四旋翼飛行器的最早構(gòu)型。逡逑

圖I.ZDIBoIFI乙時飛行
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V249.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2593153