【摘要】：四旋翼無人機(jī)是一種通過無線電遙控設(shè)備或自備編程算法自行控制的不載人旋翼飛行器,因其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉同時(shí)具有垂直起降、空中懸停、低空飛行和原地回轉(zhuǎn)等獨(dú)特的飛行技能,能夠適應(yīng)多種多樣的飛行環(huán)境,因而在軍事和民用上都具有一般無人飛行器不可比擬的優(yōu)勢。但非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)和模型不確定等特性給四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此設(shè)計(jì)高效的四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)具有重要意義。自抗擾控制器不依賴于被控對象的精確模型,并且能夠?qū)崿F(xiàn)解耦控制。在對抗外部擾動(dòng)以及處理模型不確定性等方面具有較好品質(zhì)。但傳統(tǒng)自抗擾控制器中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為李雅普諾夫意義下的漸近收斂,收斂速度仍有提升空間。本文圍繞四旋翼無人機(jī)的飛行控制問題展開研究,對傳統(tǒng)自抗擾控制器進(jìn)行合理改進(jìn)并應(yīng)用于四旋翼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。主要研究內(nèi)容如下:首先,對四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與飛行原理進(jìn)行分析,考慮四旋翼無人機(jī)在實(shí)際飛行過程中受到的外界氣動(dòng)干擾,基于牛頓歐拉方法推導(dǎo)出六自由度四旋翼無人機(jī)數(shù)學(xué)模型。其次,對自抗擾控制方法進(jìn)行闡述,對跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性狀態(tài)誤差反饋律三個(gè)重要部分進(jìn)行分析,并且指出傳統(tǒng)自抗擾方法的不足,同時(shí)提出改進(jìn)方法。改進(jìn)后的自抗擾控制器提高了傳統(tǒng)自抗擾控制器對“總和擾動(dòng)”的估計(jì)速度和精度,從而提升了自抗擾控制器整體的控制效率。再次,針對四旋翼無人機(jī)非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn),將系統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部擾動(dòng)看作系統(tǒng)所受“總和擾動(dòng)”,應(yīng)用改進(jìn)后的自抗擾控制方法設(shè)計(jì)了四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制器,通過該控制器實(shí)現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)姿態(tài)角無穩(wěn)態(tài)誤差控制以及定高飛行。最后,結(jié)合PD控制器和改進(jìn)型自抗擾控制器設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)四旋翼無人機(jī)軌跡跟蹤控制器。位置環(huán)控制器采用簡單有效的PD控制器,目的是通過目標(biāo)位置和無人機(jī)所在位置的誤差來產(chǎn)生跟蹤指定軌跡所需的姿態(tài)角期望值。通過由改進(jìn)型自抗擾控制器設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器來跟蹤位置環(huán)產(chǎn)生的姿態(tài)角期望值,實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的軌跡跟蹤控制。
【圖文】：

圖１－２邋Ｃｏｖｅｒｔａｗｉｎｇ公司設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器逡逑旋翼飛行器的研究受限于控制技術(shù)和材料技術(shù)，所，難以完成期望的飛行任務(wù)。之后的數(shù)十年里，四１世紀(jì)初期，隨著控制技術(shù)，傳感器技術(shù)，材料發(fā)展，四旋翼飛行器的研究再次進(jìn)入人們的視野關(guān)注的熱點(diǎn)。與早期的四旋翼飛行器相比，現(xiàn)階甚至微型化，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無人駕駛自主飛行。同特性上得到了優(yōu)化。以下將介紹近十幾年間國內(nèi)人機(jī)研究案例。逡逑福大學(xué)的科研小組在Ｇａｂｒｉｅｌ邋Ｈｏｆｆｉｎａｎ教授的翼無人機(jī)工程，重點(diǎn)研究了多智能體協(xié)調(diào)控制的科研小組自主研發(fā)了四旋翼無人機(jī)控制電路，將

逑！？，，＇贏邋＿逡逑圖１＿３斯坦福大學(xué)ＳＴＡＲＭＡＣ邋１號(hào)和ＳＴＡＲＭＡＣ邋２號(hào)逡逑麻省理工學(xué)院航空學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，在四旋翼無人機(jī)自主飛行領(lǐng)域的研宄也逡逑相對較早ｍ。該團(tuán)隊(duì)的研究項(xiàng)目主要集中于多個(gè)無人機(jī)的協(xié)同控制和基于圖像視逡逑覺的飛行控制，其中該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的Ｒａｖｅｎ系統(tǒng)采用多個(gè)小型四旋翼無人機(jī)通逡逑過安裝在室內(nèi)的多個(gè)攝像頭來收集無人機(jī)的飛行動(dòng)態(tài)信息，再通過地面站應(yīng)用控逡逑制算法處理圖像信息，并通過與地面站相連的遙控操控?zé)o人機(jī)。目前該團(tuán)隊(duì)己經(jīng)逡逑實(shí)現(xiàn)了多架四旋翼無人機(jī)協(xié)同飛行以及對連續(xù)目標(biāo)的搜索跟蹤。逡逑／邐Ｉ逡逑ＩＳ，Ｋ．邐：、Ｕ逡逑圖１－４麻省理工學(xué)院多機(jī)協(xié)同控制逡逑澳大利亞國立大學(xué)在自主研發(fā)的Ｘ－４邋Ｆｌｙｅｒ邋１的基礎(chǔ)上，減輕了機(jī)身重量，逡逑優(yōu)化了四旋翼的動(dòng)力系統(tǒng)研制了新一代機(jī)型Ｘ－４邋Ｆｌｙｅｒ邋２［９］。該無人機(jī)的搭載了無逡逑線通信模塊以及圖像采集模塊，且無人機(jī)的位姿控制算法完全由機(jī)載的飛行控制逡逑器獨(dú)立完成。此外該團(tuán)隊(duì)采用將非線性系統(tǒng)線性化的方法
【學(xué)位授予單位】：廈門大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V279;V249.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2653518