【摘要】：四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)對稱、質(zhì)量輕盈、能夠完成自主起飛、降落、懸停、倒飛的飛行設備。四旋翼的諸多優(yōu)點,吸引著科研院校和科技公司的廣泛關(guān)注。但是四旋翼具有非線性、強耦合、欠驅(qū)動、干擾敏感的特性,這對四旋翼的穩(wěn)定控制帶來很大挑戰(zhàn)。本文以Qba112四旋翼飛行器為研究對象,旨在設計具有抗干擾性和強魯棒性的控制器。本文完成的主要內(nèi)容有:首先介紹了 Qba112四旋翼飛行器的主要組成部件和飛行原理,并對四旋翼的受力情況進行分析,結(jié)合牛頓第二定律和角動量定理推導出四旋翼的數(shù)學模型。綜合四旋翼飛行器的數(shù)學模型和飛行原理,設計了位置外環(huán)-姿態(tài)內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。其次,針對傳統(tǒng)PID控制器魯棒性和抗干擾性較差的缺點,通過引入積分階次λ和微分階次μ對PID控制進行改進,設計了分數(shù)階PID控制器,并采用改進近似法得到分數(shù)階微積分算子sμ的有理化實現(xiàn)。通過姿態(tài)控制和位置跟蹤仿真驗證了分數(shù)階PID控制器具有較好的動態(tài)性能和較強的抗干擾性,并對比了參數(shù)攝動情況下PID和分數(shù)階PID的控制效果,驗證了分數(shù)階PID控制器較好的動態(tài)性能和較強魯棒性。再次,為了克服自抗擾PD控制器在參數(shù)攝動時的影響,利用分數(shù)階PD替代傳統(tǒng)自抗擾PD控制器,并采用測量值取代觀測值對反饋控制律進行改進。改進的分數(shù)階PD自抗擾控制器應用于四旋翼飛行器的姿態(tài)及位置控制,仿真結(jié)果顯示,分數(shù)階PD自抗擾控制器相對于整數(shù)階PD自抗擾控制器具有更好的快速性。在系統(tǒng)參數(shù)攝動情況下,分數(shù)階PD自抗擾控制器的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量變化均較小。在控制器參數(shù)攝動情況下,分數(shù)階PD自抗擾控制器的調(diào)節(jié)時間變化幅度更小,顯現(xiàn)更強的魯棒性。最后,將所設計的分數(shù)階PID控制器應用于Qba112四旋翼的姿態(tài)和高度控制,并取得滿意的控制效果。在四旋翼懸停實驗時,為充分利用實驗平臺采集的高度微分信息,通過設計二階低通濾波器提取高度給定值的變化率,對實際值和給定值變化率的差值進行比例控制,從而替代分數(shù)階PID控制器的微分項。通過對比證實了二階濾波提取變化率具有更小的穩(wěn)定時間和靜態(tài)誤差。之后,將分數(shù)階PD自抗擾控制器應用于Qba112四旋翼的姿態(tài)和高度控制。
【圖文】：

無人駕駛飛機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ邋Ａｅｒｉａｌ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，邋ＵＡＶ），又稱為無人機，是利用裝逡逑載于機身的程序控制裝置或者通過無線連接方式操縱的無人飛機器。實際上，無逡逑人機是無人駕駛飛行器的統(tǒng)稱，可以分為：無人固定翼飛機、無人垂直起降飛機、逡逑無人飛艇、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機等￣。無人機在軍事和逡逑民用上應用廣泛。軍事上，無人機執(zhí)行偵查和打擊任務，還可以進行情報收集、逡逑電子干擾、搜救等用途。在民用方面，無人機與具體行業(yè)的應用緊密結(jié)合。目前逡逑在航拍、農(nóng)業(yè)、快遞運輸、環(huán)境監(jiān)控、測繪、電力巡檢、救災、新聞報道、視頻逡逑娛樂等領(lǐng)域應用廣泛。無人機在民用領(lǐng)域的擴展也大大促進了無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，逡逑進一步得到了高校和科技公司的重視。逡逑無人機按照機翼類型可以分為旋翼類無人機和固定翼類無人機。固定翼無人逡逑機一般輪式起降，起飛時跑道加速，降落時跑道滑行，需要一些傳統(tǒng)基礎設施的逡逑支持。目前國內(nèi)固定翼無人機較為出名的是“翼龍”無人機和“彩虹”系列無人逡逑機。旋翼類飛行器機械結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、可以自主垂直起降、能完成懸停、逡逑倒飛等諸多飛行動作，飛行更加靈活，，且控制穩(wěn)定，安全程度高，適應環(huán)境能力逡逑強。旋翼類無人機的種種優(yōu)點使其成為國內(nèi)外科研院校和機構(gòu)的研究重點。逡逑

￣ｉｒ－Ｔｒ＾逡逑圖１－１翼龍無人機和“彩虹４”無人機逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｗｉｎｇ邋Ｌｏｏｎｇ邋ＵＡＶ邋ａｎｄ邋ＣＨ－４邋ＵＡＶ逡逑旋翼無人機按照旋翼數(shù)量的多少可分為單旋翼直升機、共軸雙旋翼無人機、逡逑四旋翼、六旋翼、八旋翼等。相對來說，四旋翼結(jié)構(gòu)對稱、成本低廉、能夠通過逡逑自身旋翼抵消反扭矩影響，是一種軍民兩用的高科技設備，在國內(nèi)外的科學研究逡逑１逡逑
【學位授予單位】：天津工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V249.1

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本文編號：2660975