【摘要】：四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)對(duì)稱、質(zhì)量輕盈、能夠完成自主起飛、降落、懸停、倒飛的飛行設(shè)備。四旋翼的諸多優(yōu)點(diǎn),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(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、干擾敏感的特性,這對(duì)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(duì)象,旨在設(shè)計(jì)具有抗干擾性和強(qiáng)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(duì)四旋翼的受力情況進(jìn)行分析,結(jié)合牛頓第二定律和角動(dòng)量定理推導(dǎo)出四旋翼的數(shù)學(xué)模型。綜合四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型和飛行原理,設(shè)計(jì)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(duì)傳統(tǒng)PID控制器魯棒性和抗干擾性較差的缺點(diǎn),通過引入積分階次λ和微分階次μ對(duì)PID控制進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了分?jǐn)?shù)階PID控制器,并采用改進(jìn)近似法得到分?jǐn)?shù)階微積分算子sμ的有理化實(shí)現(xiàn)。通過姿態(tài)控制和位置跟蹤仿真驗(yàn)證了分?jǐn)?shù)階PID控制器具有較好的動(dòng)態(tài)性能和較強(qiáng)的抗干擾性,并對(duì)比了參數(shù)攝動(dòng)情況下PID和分?jǐn)?shù)階PID的控制效果,驗(yàn)證了分?jǐn)?shù)階PID控制器較好的動(dòng)態(tài)性能和較強(qiáng)魯棒性。再次,為了克服自抗擾PD控制器在參數(shù)攝動(dòng)時(shí)的影響,利用分?jǐn)?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(duì)反饋控制律進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的分?jǐn)?shù)階PD自抗擾控制器應(yīng)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?jǐn)?shù)階PD自抗擾控制器相對(duì)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(dòng)情況下,分?jǐn)?shù)階PD自抗擾控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量變化均較小。在控制器參數(shù)攝動(dòng)情況下,分?jǐn)?shù)階PD自抗擾控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間變化幅度更小,顯現(xiàn)更強(qiáng)的魯棒性。最后,將所設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)階PID控制器應(yīng)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(shí)驗(yàn)時(shí),為充分利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集的高度微分信息,通過設(shè)計(jì)二階低通濾波器提取高度給定值的變化率,對(duì)實(shí)際值和給定值變化率的差值進(jìn)行比例控制,從而替代分?jǐn)?shù)階PID控制器的微分項(xiàng)。通過對(duì)比證實(shí)了二階濾波提取變化率具有更小的穩(wěn)定時(shí)間和靜態(tài)誤差。之后,將分?jǐn)?shù)階PD自抗擾控制器應(yīng)用于Qba112四旋翼的姿態(tài)和高度控制。
【圖文】：

無人駕駛飛機(jī)（Ｕｎｍａｎｎｅｄ邋Ａｅｒｉａｌ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，邋ＵＡＶ），又稱為無人機(jī)，是利用裝逡逑載于機(jī)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(jī)器。實(shí)際上，無逡逑人機(jī)是無人駕駛飛行器的統(tǒng)稱，可以分為：無人固定翼飛機(jī)、無人垂直起降飛機(jī)、逡逑無人飛艇、無人直升機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機(jī)等￣。無人機(jī)在軍事和逡逑民用上應(yīng)用廣泛。軍事上，無人機(jī)執(zhí)行偵查和打擊任務(wù)，還可以進(jìn)行情報(bào)收集、逡逑電子干擾、搜救等用途。在民用方面，無人機(jī)與具體行業(yè)的應(yīng)用緊密結(jié)合。目前逡逑在航拍、農(nóng)業(yè)、快遞運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)控、測繪、電力巡檢、救災(zāi)、新聞報(bào)道、視頻逡逑娛樂等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。無人機(jī)在民用領(lǐng)域的擴(kuò)展也大大促進(jìn)了無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，逡逑進(jìn)一步得到了高校和科技公司的重視。逡逑無人機(jī)按照機(jī)翼類型可以分為旋翼類無人機(jī)和固定翼類無人機(jī)。固定翼無人逡逑機(jī)一般輪式起降，起飛時(shí)跑道加速，降落時(shí)跑道滑行，需要一些傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的逡逑支持。目前國內(nèi)固定翼無人機(jī)較為出名的是“翼龍”無人機(jī)和“彩虹”系列無人逡逑機(jī)。旋翼類飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、可以自主垂直起降、能完成懸停、逡逑倒飛等諸多飛行動(dòng)作，飛行更加靈活，，且控制穩(wěn)定，安全程度高，適應(yīng)環(huán)境能力逡逑強(qiáng)。旋翼類無人機(jī)的種種優(yōu)點(diǎn)使其成為國內(nèi)外科研院校和機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。逡逑

￣ｉｒ－Ｔｒ＾逡逑圖１－１翼龍無人機(jī)和“彩虹４”無人機(jī)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(jī)按照旋翼數(shù)量的多少可分為單旋翼直升機(jī)、共軸雙旋翼無人機(jī)、逡逑四旋翼、六旋翼、八旋翼等。相對(duì)來說，四旋翼結(jié)構(gòu)對(duì)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(shè)備，在國內(nèi)外的科學(xué)研究逡逑１逡逑
【學(xué)位授予單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V249.1

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本文編號(hào)：2660975