四旋翼飛行器是一種多旋翼飛行器,它具有體積小、重量輕、功耗低以及可實(shí)現(xiàn)懸停控制等特點(diǎn),相比于傳統(tǒng)的直升機(jī),又具有相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械構(gòu)造,因此得到了廣泛的應(yīng)用。通過對(duì)四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,可以實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的姿態(tài)以及位置的變化。但是,四旋翼本身是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性及易受外界擾動(dòng)等特點(diǎn),其位置與姿態(tài)存在強(qiáng)耦合關(guān)系。在飛行過程中,由于執(zhí)行器的高速旋轉(zhuǎn),使得其發(fā)生故障的幾率增大,為了對(duì)執(zhí)行器故障進(jìn)行容錯(cuò)控制,本文針對(duì)研究四旋翼的高度和姿態(tài)控制,進(jìn)行了如下工作:首先,闡述了課題的研究背景及意義,介紹了飛行控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制的相關(guān)概念,接下來介紹了四旋翼飛行器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,最后闡述了本文的主要工作以及章節(jié)安排。其次,簡(jiǎn)要介紹了四旋翼飛行器架構(gòu)與工作原理,定義了地面參考坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系,在此基礎(chǔ)上,考慮系統(tǒng)受到空氣阻力與陀螺效應(yīng),運(yùn)用Newton-Euler公式,詳細(xì)地建立了四旋翼飛行器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型,在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了四旋翼飛行器的仿真模型。然后,簡(jiǎn)要介紹了基于反演方法的控制器設(shè)計(jì)原理,并且基于四旋翼飛行器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,建立了執(zhí)行器高度及姿態(tài)的加性與乘性故障模型,采用了自適應(yīng)反演控制算法,詳細(xì)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)反演容錯(cuò)控制器,對(duì)故障下的四旋翼進(jìn)行了定高懸停仿真實(shí)驗(yàn)與抗擾性分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,自適應(yīng)反演容錯(cuò)控制器可行有效,但其抗擾性有待進(jìn)一步改善。最后,將執(zhí)行器加性故障與乘性故障都視為一種不確定性,并考慮了在實(shí)際飛行過程中故障系統(tǒng)受到外界干擾影響,基于自適應(yīng)反演滑�？刂扑惴�,在反演中引入了滑模項(xiàng),設(shè)計(jì)了高度及姿態(tài)容錯(cuò)控制器,進(jìn)行了兩部分仿真實(shí)驗(yàn):一部分是定高懸停仿真實(shí)驗(yàn),故障模型中不存在干擾,另一部分是抗擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),存在干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,自適應(yīng)反演滑模控制算法有效地抑制了外部擾動(dòng)和系統(tǒng)不確定性的影響,具有一定的抗擾性。最后,對(duì)兩種控制算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)效果的比較分析。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V279;V249.1
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題的研究背景及意義
    1.2 飛行控制系統(tǒng)的容錯(cuò)控制
        1.2.1 故障的定義及分類
        1.2.2 容錯(cuò)控制系統(tǒng)
        1.2.3 容錯(cuò)控制的主要研究方法
    1.3 四旋翼飛行器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
        1.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀
    1.4 論文的主要工作及章節(jié)安排
第2章 四旋翼飛行器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型
    2.1 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)框架與工作原理
        2.1.1 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)框架
        2.1.2 工作原理
    2.2 坐標(biāo)系定義
    2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣定義
    2.4 建立數(shù)學(xué)模型
    2.5 本章小結(jié)
第3章 自適應(yīng)反演容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
    3.1 基于自適應(yīng)反演的控制器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
        3.1.1 基于反演的控制器設(shè)計(jì)原理
        3.1.2 兩類故障模型
    3.2 執(zhí)行器加性故障自適應(yīng)反演容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
        3.2.1 姿態(tài)子系統(tǒng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
        3.2.2 高度容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
    3.3 加性故障仿真實(shí)驗(yàn)
        3.3.1 定高懸停仿真實(shí)驗(yàn)
        3.3.2 抗擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
    3.4 執(zhí)行器乘性故障自適應(yīng)反演容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
        3.4.1 姿態(tài)子系統(tǒng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
        3.4.2 高度容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
    3.5 乘性故障仿真實(shí)驗(yàn)
        3.5.1 定高懸停仿真實(shí)驗(yàn)
        3.5.2 抗擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
    3.6 本章小結(jié)
第4章 自適應(yīng)反演滑模容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
    4.1 執(zhí)行器加性故障自適應(yīng)反演滑模容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
        4.1.1 姿態(tài)子系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)
        4.1.2 高度通道控制器設(shè)計(jì)
    4.2 加性故障仿真實(shí)驗(yàn)
        4.2.1 定高懸停仿真實(shí)驗(yàn)
        4.2.2 抗擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
    4.3 執(zhí)行器乘性故障自適應(yīng)反演滑模容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)
        4.3.1 姿態(tài)子系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)
        4.3.2 高度通道控制器設(shè)計(jì)
    4.4 乘性故障仿真實(shí)驗(yàn)
        4.4.1 定高懸停仿真實(shí)驗(yàn)
        4.4.2 抗擾性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
    4.5 兩種控制算法的性能比較
    4.6 本章小結(jié)
第5章 結(jié)論
    5.1 總結(jié)
    5.2 展望
致謝
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)介
攻讀碩士學(xué)位期間研究成果

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