【摘要】：四旋翼飛行器是多旋翼無人機(jī)中的一種,具有機(jī)動性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點,近些年廣泛應(yīng)用在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)管、災(zāi)難搜救等領(lǐng)域,也一直是眾多研究機(jī)構(gòu)的研究熱點。隨著編隊協(xié)同飛行等復(fù)雜問題的研究,對飛行器控制性能提出了更高要求。四旋翼飛行器由于具有耦合性、欠驅(qū)動、非線性等特點,精確的機(jī)理模型獲得較為困難,為提高控制品質(zhì),本文將采用系統(tǒng)辨識的方法對四旋翼系統(tǒng)進(jìn)行建模,并設(shè)計H∞控制器提升控制性能。本文的主要研究內(nèi)容和貢獻(xiàn)概括如下:(1)使用多變量漸近辨識法的理論框架,完善之前有關(guān)多旋翼辨識與控制成果。保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下設(shè)計閉環(huán)辨識實驗,利用滿足持續(xù)激勵條件的數(shù)據(jù)對四旋翼姿態(tài)模型進(jìn)行多變量辨識建模與分析。考慮辨識模型的誤差與不確定性因素,基于線性矩陣不等式(LMI)方法求解設(shè)計姿態(tài)角速度多變量H∞控制器,并通過飛行實驗比較對應(yīng)的控制效果。與原本的控制器相比,姿態(tài)角速度跟蹤誤差降低了40%左右。(2)四旋翼系統(tǒng)是串級控制結(jié)構(gòu),姿態(tài)和位置控制合計共有四個回路。給出一種基于串級結(jié)構(gòu)的H∞控制器設(shè)計方法,借助辨識實驗,使主副回路辨識數(shù)據(jù)均滿足持續(xù)激勵條件,完成串級結(jié)構(gòu)中的辨識建模和控制器設(shè)計。采用此思路對四旋翼姿態(tài)角模型和位置模型進(jìn)行了多變量辨識建模與控制,通過飛行實驗結(jié)果表明,姿態(tài)角與位置的控制品質(zhì)有不錯的提升。(3)考慮四旋翼姿態(tài)模型的非線性特性,使用線性參數(shù)可變(LPV)模型對四旋翼姿態(tài)角速度模型進(jìn)行辨識建模。以姿態(tài)角作為調(diào)度變量,辨識得到不同姿態(tài)角范圍的線性模型作為子模型,再通過迭代優(yōu)化加權(quán)函數(shù)及子模型參數(shù)獲得LPV模型。然后,利用LPV模型的頂點性質(zhì),為四旋翼姿態(tài)模型設(shè)計了增益調(diào)度H∞控制器。通過仿真實驗表明,與線性H∞控制器相比,姿態(tài)環(huán)的控制品質(zhì)得到了一定的提升。
【圖文】：

用在商業(yè)航拍、環(huán)境監(jiān)測、交通監(jiān)管、災(zāi)難搜救等民用領(lǐng)域，因此近些年小型無逡逑人機(jī)一直受到了眾多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。逡逑如圖１．１所示，根據(jù)飛行原理和驅(qū)動模式等不同特性，可以將無人機(jī)分成不逡逑同類型，常見的無人機(jī)主要分為旋翼無人機(jī)與固定翼無人機(jī)。兩者都是依靠空氣逡逑動力提供飛行所需的力和力矩，但完全不同的運(yùn)動機(jī)制決定兩類無人機(jī)具有各自逡逑不同的特點。固定翼無人機(jī)的優(yōu)點是能量轉(zhuǎn)換效率高，飛行速度快，可負(fù)載能力逡逑強(qiáng)，適用于長時間的飛行任務(wù)。與之相比，旋翼無人機(jī)可操作性強(qiáng)，機(jī)動性好，逡逑能完成懸停，垂直起降等任務(wù)，因此對工作環(huán)境要求比較低。旋翼無人機(jī)的發(fā)展逡逑相對晚一些，但隨著傳感器和自動化等領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，旋翼無人機(jī)的發(fā)展逡逑速度也越來越快，，并逐漸拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。逡逑旋翼無人機(jī)又可分為單旋翼無人機(jī)與多旋翼無人機(jī)

１．２（ｃ）所示，同時增加或降低旋翼轉(zhuǎn)速可使飛行器進(jìn)行垂直方向的運(yùn)動。當(dāng)向上逡逑升力等于重力時，機(jī)體則保持懸停狀態(tài)，當(dāng)升力大于重力時上升，反之下降。如逡逑圖１．２（ｄ）所示，如果增加２號旋翼的轉(zhuǎn)速同時減少４號旋翼的轉(zhuǎn)速，可以令四逡逑旋翼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，致使機(jī)身姿態(tài)變化并側(cè)向運(yùn)動（橫滾方向），同理改變１號逡逑和３號旋翼的轉(zhuǎn)速則可以實現(xiàn)機(jī)體的前向運(yùn)動（俯仰方向）？當(dāng)（１，邋３）旋翼和逡逑（２，４）旋翼轉(zhuǎn)速分別保持相同，但兩組旋翼的轉(zhuǎn)速不同而產(chǎn)生不同的反扭矩時，逡逑四旋翼將，如圖１．２（ａ）（ｂ）所示，圍繞機(jī)體中心做自轉(zhuǎn)運(yùn)動（偏航方向）｜４，９，１２］。逡逑＾邋２邋＆邋４逡逑ｗ邐Ｗ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑？１０邐磐逡逑Ａ＼３逡逑ｙ邐＿逡逑（ｃ）邐（ｄ）逡逑圖１．２四旋翼原理圖：白色箭頭寬窄表示對應(yīng)旋翼的轉(zhuǎn)速快慢，黑色箭頭指向運(yùn)動方向逡逑四旋翼常見的配置結(jié)構(gòu)有兩種，‘Ｘ’形結(jié)構(gòu)（如圖１．３所示）和‘十’形結(jié)逡逑構(gòu)（如圖１．４所示）。主要區(qū)別在于機(jī)頭方向選取不同，‘Ｘ’形結(jié)構(gòu)四旋翼更加逡逑穩(wěn)定
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V279;V249.1

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