發(fā)布時(shí)間：2020-07-20 18:47

【摘要】：多旋翼無人飛行器是一個(gè)典型的多變量、欠驅(qū)動系統(tǒng),具有非線性、強(qiáng)耦合特性。為了完成指定的飛行任務(wù),多旋翼無人機(jī)常常需要運(yùn)行在由物理結(jié)構(gòu)、任務(wù)要求和安全需求限定的邊界狀態(tài)附近,并且需要適應(yīng)不同的飛行工況。上述這些因素大大增加了飛行器的控制難度,如何提高飛行器姿態(tài)與航跡對多種工況的高機(jī)動響應(yīng)能力是控制領(lǐng)域的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。本文針對共軸十二旋翼無人飛行器高機(jī)動飛行控制問題展開研究,考慮擾動、輸入飽和、響應(yīng)速度、姿態(tài)約束、傳感器故障等諸多實(shí)際因素,進(jìn)行多旋翼飛行器多工況姿態(tài)航跡跟蹤控制,為實(shí)現(xiàn)飛行器的高機(jī)動自主飛行奠定基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容包括以下幾方面:第一,共軸十二旋翼無人飛行器建模。多旋翼無人飛行器高機(jī)動飛行控制的前提是刻畫其動力學(xué)特性和運(yùn)動規(guī)律。通過分析共軸十二旋翼無人飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)并進(jìn)行合理假設(shè),將其視為具有空間六自由度的運(yùn)動剛體。考慮風(fēng)場作用產(chǎn)生的等效干擾,通過分析十二旋翼飛行器的飛行原理,將其運(yùn)動分為質(zhì)心平動和機(jī)體繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動兩種運(yùn)動方式,并依據(jù)牛頓-歐拉方程建立飛行器的數(shù)學(xué)模型,為飛行器的高機(jī)動飛行控制打下良好基礎(chǔ)。第二,共軸十二旋翼無人飛行器的魯棒姿態(tài)航跡跟蹤控制�？紤]到飛行器高機(jī)動飛行過程中會受到風(fēng)擾、空氣摩擦力和力矩、模型不確定、陀螺力矩效應(yīng)等諸多負(fù)面因素的影響,提高系統(tǒng)對總不確定性和擾動的魯棒性能對保證飛行器的控制精度十分重要。為解決以上問題,引入線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器估計(jì)飛行器各個(gè)通道的總擾動,并將擾動估計(jì)值前饋補(bǔ)償給控制器,提高系統(tǒng)的抗擾動能力。結(jié)合自抗擾算法和反步法設(shè)計(jì)飛行控制器,保證姿態(tài)跟蹤誤差具有期望的收斂特性,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精確的航跡跟蹤任務(wù)。第三,共軸十二旋翼無人飛行器的有限時(shí)間航跡跟蹤控制。共軸十二旋翼無人飛行器為實(shí)現(xiàn)高機(jī)動的自主飛行任務(wù),需要具備快速的響應(yīng)能力。有限時(shí)間控制策略具有收斂速度快,跟蹤精度高和抗擾動能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),能夠從理論層面提高飛行器的響應(yīng)速度。因此本章針對飛行器的位移系統(tǒng),結(jié)合反步法設(shè)計(jì)有限時(shí)間控制器,保證跟蹤誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn)的鄰域。同時(shí)引入有限時(shí)間輔助系統(tǒng),補(bǔ)償升力飽和對飛行器控制性能的影響。本章設(shè)計(jì)的基于有限時(shí)間輔助系統(tǒng)的有限時(shí)間反步控制器能夠保證飛行器位移系統(tǒng)的有限時(shí)間穩(wěn)定性,同時(shí)削弱輸入飽和作用的影響。仿真實(shí)驗(yàn)、半實(shí)物硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)均獲得良好的控制效果,證明了算法的有效性。第四,共軸十二旋翼無人飛行器的姿態(tài)受限控制。針對飛行器姿態(tài)系統(tǒng)存在時(shí)變輸出約束問題,提出了基于非對稱時(shí)變障礙李雅普諾夫函數(shù)(Asymmetric Barrier Lyapunov Function,ABLF)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和動態(tài)面算法的自適應(yīng)魯棒反步控制策略,保證飛行器存在輸出約束和外部擾動時(shí)姿態(tài)系統(tǒng)閉環(huán)信號的有界性。通過ABLF的引入將姿態(tài)角始終保持在約束集合內(nèi);引入自適應(yīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法逼近飛行器的模型不確定;動態(tài)面算法的引入避免了求取反步法中虛擬控制量的導(dǎo)數(shù)問題,降低算法復(fù)雜度,簡化計(jì)算;最后通過魯棒項(xiàng)的引入對系統(tǒng)外部擾動和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的逼近誤差總和進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。本章提出的算法在滿足飛行器高機(jī)動飛行的姿態(tài)約束的同時(shí),提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和跟蹤精度。第五,共軸十二旋翼無人飛行器的傳感器故障容錯控制。共軸十二旋翼無人飛行器具有足夠多的執(zhí)行器冗余結(jié)構(gòu),提升了系統(tǒng)對執(zhí)行器故障的容錯能力。然而,傳感器故障會導(dǎo)致狀態(tài)信息獲取不準(zhǔn)確,依然會降低飛行器的控制性能,甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)。為了保證飛行器高機(jī)動飛行的安全性,本章針對飛行器的陀螺儀傳感器故障問題,提出了一種基于干擾觀測器的新型滑�？刂扑惴�,將陀螺儀傳感器故障視為飛行器姿態(tài)系統(tǒng)的等效不匹配擾動;設(shè)計(jì)干擾觀測器在線估計(jì)傳感器故障;將傳感器故障的估計(jì)值加入到滑模面中,使新型滑模面對不匹配擾動也具有不變性;最后通過雙冪次趨近律的引入削弱系統(tǒng)抖振。本章提出的算法無需進(jìn)行故障檢測和控制器重構(gòu),設(shè)計(jì)簡單,便于實(shí)現(xiàn)。通過Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)的有界穩(wěn)定性,仿真實(shí)驗(yàn)也獲得了滿意的控制效果。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V279;V249.1
【圖文】：

圖 1.2 STARMAC I 型和 STARMAC II 型飛行器圖 1.3 Mesicopter 飛行器理工學(xué)院的無人機(jī)集群健康管理計(jì)劃通過地面遙控實(shí)現(xiàn)多無人12,13,14]，該項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同和編隊(duì)飛行等實(shí)驗(yàn)(如圖 1.4)。飛描陣列和慣性測量單元感知重建周圍環(huán)境來獲取飛行器的狀態(tài)。Cutler 研制了一種變槳距四旋翼飛行器(如圖 1.5)，相比于固距飛行器可以提供雙倍轉(zhuǎn)矩，還能產(chǎn)生負(fù)升力使飛行器機(jī)身翻懸停，大大提升了飛行器的機(jī)動性[15]。同時(shí)變槳距飛行器的調(diào)通過改變旋翼轉(zhuǎn)速或改變槳距兩種方式調(diào)節(jié)升力，進(jìn)而改變飛

圖 1.3 Mesicopter 飛行器機(jī)集群健康管理計(jì)劃通過地面遙實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同和編隊(duì)飛行等實(shí)驗(yàn)量單元感知重建周圍環(huán)境來獲取一種變槳距四旋翼飛行器(如圖供雙倍轉(zhuǎn)矩，還能產(chǎn)生負(fù)升力使了飛行器的機(jī)動性[15]。同時(shí)變槳速或改變槳距兩種方式調(diào)節(jié)升力 1.4 MIT 多無人機(jī)編隊(duì)飛行實(shí)

圖 1.3 Mesicopter 飛行器麻省理工學(xué)院的無人機(jī)集群健康管理計(jì)劃通過地面遙控實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)動態(tài)環(huán)境協(xié)同任務(wù)[12,13,14]，該項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同和編隊(duì)飛行等實(shí)驗(yàn)(如圖 1.4)。飛行器通過機(jī)載激光掃描陣列和慣性測量單元感知重建周圍環(huán)境來獲取飛行器的狀態(tài)信息、實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃。Cutler 研制了一種變槳距四旋翼飛行器(如圖 1.5)，相比于固定槳距來說，變槳距飛行器可以提供雙倍轉(zhuǎn)矩，還能產(chǎn)生負(fù)升力使飛行器機(jī)身翻轉(zhuǎn) 180 度后仍能保持懸停，大大提升了飛行器的機(jī)動性[15]。同時(shí)變槳距飛行器的調(diào)節(jié)方式更為靈活，可通過改變旋翼轉(zhuǎn)速或改變槳距兩種方式調(diào)節(jié)升力，進(jìn)而改變飛行軌跡[16]。

【參考文獻(xiàn)】

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1 史添瑋;王宏;;基于光流的六旋翼飛行器懸�？刂芠J];東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2015年10期

2 陳增強(qiáng);孫明瑋;楊瑞光;;線性自抗擾控制器的穩(wěn)定性研究[J];自動化學(xué)報(bào);2013年05期

3 宮勛;白越;趙常均;高慶嘉;彭程;田彥濤;;Hex-Rotor無人飛行器及其飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];光學(xué)精密工程;2012年11期

4 楊成順;楊忠;許德智;葛樂;;新型六旋翼飛行器的軌跡跟蹤控制[J];系統(tǒng)工程與電子技術(shù);2012年10期

5 岳基隆;張慶杰;朱華勇;;微小型四旋翼無人機(jī)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J];電光與控制;2010年10期

6 陳平;萬德旺;羅晶;;四螺旋槳直升機(jī)控制問題的研究[J];伺服控制;2008年07期

7 席裕庚,耿曉軍,陳虹;預(yù)測控制性能研究的新進(jìn)展[J];控制理論與應(yīng)用;2000年04期

本文編號：2763811