本文關(guān)鍵詞：四旋翼飛控及其分布式一致性算法研究

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【摘要】：近年來,由于四旋翼無人機其結(jié)構(gòu)簡單、機動靈活等特點,人們對其的研究興趣日漸強烈。但四旋翼動力學模型具有欠驅(qū)動、強耦合、非線性等特點,加之在飛行過程中需考慮非線性阻力、阻力矩以及陣風等不確定因素的影響,因此設(shè)計具有魯棒性的穩(wěn)定飛行控制算法具有很大的難度。且由于單個四旋翼負載有限、傳感器性能不足、續(xù)航能力有限的限制,在一些復雜的應用場景下,往往需要多個四旋翼以集群的方式完成單個四旋翼無法完成的任務,而多四旋翼一致性問題是多四旋翼協(xié)作控制的基礎(chǔ)。本文主要研究了四旋翼飛控算法和多四旋翼分布式一致性控制協(xié)議,主要內(nèi)容如下:首先,本文通過對四旋翼飛行原理以及動力學原理進行分析,利用牛頓-歐拉方程建立了四旋翼無人機的動力學模型。與以往的雙閉環(huán)控制思路不同,本文根據(jù)模型驅(qū)動回路的不同特點,將四旋翼分為全驅(qū)動和欠驅(qū)動兩個子系統(tǒng),并根據(jù)系統(tǒng)不同特點設(shè)計了不同的控制率,并組合成了四旋翼的整體飛控算法。其次,針對全驅(qū)動子系統(tǒng)相對獨立且響應迅速的特點,設(shè)計了能夠在有限時間內(nèi)達到穩(wěn)定的非奇異終端滑�？刂扑惴�,并通過理論證明、仿真分析證明了算法的有效性。在假設(shè)全驅(qū)動子系統(tǒng)已經(jīng)盡快穩(wěn)定并輸出穩(wěn)定耦合量給欠驅(qū)動系統(tǒng)的情況下,對四階欠驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計了基于動態(tài)面的控制算法,且引入干擾觀測器提高系統(tǒng)的魯棒性。算法的有效性以及對干擾的抑制作用通過Lyapuvov穩(wěn)定性理論以及相關(guān)仿真實驗得以證明。然后,將兩個子系統(tǒng)控制方案整合到整體飛控系統(tǒng)中。經(jīng)仿真驗證,整體控制策略能夠有效抑制不確定干擾給系統(tǒng)帶來的影響,能夠有效地實現(xiàn)定點懸停、軌跡跟蹤等飛行任務,保障四旋翼的穩(wěn)定飛行。最后,針對未經(jīng)模型簡化的四旋翼非線性動力學模型,研究了時不變通信拓撲下的多四旋翼一致性控制問題。針對欠驅(qū)動和全驅(qū)動兩個子系統(tǒng),結(jié)合動態(tài)面設(shè)計方法和一階多智能一致性框架設(shè)計了多四旋翼一致性控制策略。針對大系統(tǒng)中存在的未知干擾,通過引入基于動態(tài)面的干擾觀測器并在控制回路中進行補償,有效地抑制了干擾。通過理論證明和仿真實驗,一致性控制協(xié)議的有效性和魯棒性得以證明。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼 動態(tài)面 一致性
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-19
• 1.1 研究背景和意義9-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11-16
• 1.2.1 四旋翼研究現(xiàn)狀與發(fā)展11-14
• 1.2.2 多四旋翼編隊控制14-16
• 1.3 本文研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)16-19
• 第2章 預備知識19-31
• 2.1 四旋翼無人機相關(guān)知識19-24
• 2.1.1 飛行原理概述19-20
• 2.1.2 坐標系選取與動力學模型的建立20-23
• 2.1.3 模型分析與控制方案23-24
• 2.2 動態(tài)面控制算法24-26
• 2.2.1 Lyapunov穩(wěn)定性理論24-25
• 2.2.2 動態(tài)面設(shè)計方法25-26
• 2.3 多智能體一致性框架26-29
• 2.3.1 代數(shù)圖論和矩陣理論26-27
• 2.3.2 基本一致性算法27-28
• 2.3.3 高階嚴格反饋系統(tǒng)一致性框架28-29
• 2.4 本章小結(jié)29-31
• 第3章 四旋翼全驅(qū)、欠驅(qū)子系統(tǒng)控制算法設(shè)計31-43
• 3.1 四旋翼欠驅(qū)子系統(tǒng)控制算法31-35
• 3.1.1 控制算法設(shè)計32-33
• 3.1.2 穩(wěn)定性分析33-35
• 3.2 四旋翼全驅(qū)子系統(tǒng)控制算法35-36
• 3.2.1 穩(wěn)定性分析35-36
• 3.2.2 有限時間分析36
• 3.3 仿真結(jié)果與分析36-42
• 3.3.1 欠驅(qū)動子系統(tǒng)仿真結(jié)果36-40
• 3.3.2 全驅(qū)動子系統(tǒng)仿真結(jié)果40-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第4章 四旋翼整體控制算法設(shè)計43-49
• 4.1 總體設(shè)計方案與定點飛行仿真43-46
• 4.2 四旋翼特定飛行任務仿真46-48
• 4.2.1 分段連續(xù)軌跡跟蹤46-47
• 4.2.2 盤旋上升飛行任務47-48
• 4.3 本章小結(jié)48-49
• 第5章 多四旋翼分布式一致性算法設(shè)計49-65
• 5.1 系統(tǒng)通信拓撲與控制方案49-50
• 5.2 無干擾多四旋翼一致性算法50-54
• 5.2.1 多四旋翼欠驅(qū)動一致性算法50-53
• 5.2.2 多四旋翼全驅(qū)動一致性算法53-54
• 5.3 有干擾多四旋翼一致性算法54-57
• 5.3.1 多四旋翼欠驅(qū)動一致性算法54-56
• 5.3.2 多四旋翼全驅(qū)動一致性算法56-57
• 5.4 系統(tǒng)仿真分析57-64
• 5.4.1 無干擾情況下的多四旋翼一致性仿真57-60
• 5.4.2 有干擾情況下的多四旋翼一致性仿真60-64
• 5.5 本章小結(jié)64-65
• 結(jié)論65-67
• 參考文獻67-71
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單71-72
• 致謝72

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7 鄧寅U，

本文編號：998362