本文關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制的研究

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【摘要】：四旋翼無人機(jī)是一種具有六自由度,可垂直起降的無人飛行器。其機(jī)動性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、操作簡單等特點(diǎn)使其在民用領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域都備受青睞,表現(xiàn)出了極強(qiáng)的使用價值。但四旋翼無人機(jī)是一個典型的具有強(qiáng)耦合性、欠驅(qū)動、非線性、易受外界環(huán)境干擾的系統(tǒng),這使得很難對其進(jìn)行精確建模,因此針對四旋翼無人機(jī)的控制(姿態(tài)、位置等)變的相對困難。本文設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制算法,并分別在系統(tǒng)參數(shù)攝動與外部變力矩干擾的條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證所提出算法的正確性與有效性。本文研究的主要內(nèi)容包括:(1)四旋翼無人機(jī)動力學(xué)模型的建立。首先對四旋翼無人機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與飛行原理進(jìn)行了分析,選用歐拉角作為姿態(tài)的描述方式,推導(dǎo)出載體坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。最后根據(jù)歐拉動力學(xué)方程與質(zhì)心運(yùn)動定理推導(dǎo)出四旋翼無人機(jī)的全狀態(tài)非線性方程,并在假設(shè)條件下進(jìn)行了簡化。(2)四旋翼無人機(jī)姿態(tài)反步自適應(yīng)控制。采用基于Lyapunov穩(wěn)定判據(jù)的反步法設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制器,并在反步法中加入自適應(yīng)控制律,動態(tài)的估計(jì)模型誤差與外部干擾,增加系統(tǒng)魯棒性。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。結(jié)果表明,當(dāng)受到外部變力矩干擾時跟蹤誤差較大,其余時間控制性能較好。(3)四旋翼無人機(jī)姿態(tài)反步滑模控制。將反步控制與滑�？刂葡嘟Y(jié)合設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制器,滑模控制可以迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動,這樣可以更好的解決系統(tǒng)參數(shù)攝動與外部干擾時系統(tǒng)的控制問題,增加了系統(tǒng)的魯棒性。結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)受到參數(shù)攝動與外部力矩干擾時,解決了反步自適應(yīng)控制精度的問題,但該控制存在“抖震”的問題。(4)基于L2魯棒自適應(yīng)的四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制。根據(jù)四旋翼無人機(jī)的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用反步法推導(dǎo)出L2魯棒控制器,并將L2魯棒控制與自適應(yīng)控制相結(jié)合,自適應(yīng)可動態(tài)估計(jì)外部干擾,增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。針對L2魯棒自適應(yīng)控制參數(shù)較多的問題,本文設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù),采用改進(jìn)差分進(jìn)化算法,對控制器參數(shù)進(jìn)行離線優(yōu)化。結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)受到參數(shù)攝動與外部力矩干擾時,系統(tǒng)魯棒性較強(qiáng),很好的解決了上述兩種方法存在的問題。本文建立了四旋翼無人機(jī)的非線性模型,設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制器,為四旋翼無人機(jī)的未來研究提供了理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼無人機(jī) 反步自適應(yīng) 反步滑模 L2魯棒自適應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V249.12
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 課題的研究背景與意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 四旋翼無人機(jī)的發(fā)展趨勢14-15
• 1.4 四旋翼無人機(jī)常用控制方法15-16
• 1.5 主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排16-18
• 第2章 四旋翼無人機(jī)原理分析與動力學(xué)建模18-26
• 2.1 引言18
• 2.2 四旋翼無人機(jī)飛行原理分析18-20
• 2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18
• 2.2.2 控制原理18-20
• 2.3 四旋翼無人機(jī)坐標(biāo)系選取與坐標(biāo)變換20-22
• 2.3.1 坐標(biāo)系的選取20
• 2.3.2 坐標(biāo)變換20-22
• 2.4 四旋翼無人機(jī)動力學(xué)模型建立22-25
• 2.5 本章小結(jié)25-26
• 第3章 基于反步自適應(yīng)的四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制26-39
• 3.1 引言26
• 3.2 反步法控制原理26-30
• 3.3 反步自適應(yīng)的姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)30-34
• 3.3.1 基于反步法的姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)31-33
• 3.3.2 基于反步自適應(yīng)姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)33-34
• 3.4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析34-38
• 3.5 本章小結(jié)38-39
• 第4章 基于反步滑模的四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制39-45
• 4.1 引言39
• 4.2 基于反步滑模的姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)39-41
• 4.3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析41-44
• 4.4 本章小節(jié)44-45
• 第5章 基于L_2魯棒自適應(yīng)的四旋翼無人機(jī)姿態(tài)控制45-63
• 5.1 引言45
• 5.2 L_2魯棒控制原理45-51
• 5.2.1 非線性魯棒控制理論的提出45-46
• 5.2.2 無源性與穩(wěn)定性46-47
• 5.2.3 耗散性與L2性能準(zhǔn)則47-48
• 5.2.4 存儲函數(shù)的遞推設(shè)計(jì)48-51
• 5.3 L_2魯棒自適應(yīng)姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)51-54
• 5.3.1 L_2控制問題描述51-52
• 5.3.2 控制器設(shè)計(jì)52-54
• 5.4 控制器參數(shù)優(yōu)化54-57
• 5.4.1 差分進(jìn)化算法的基本原理54-55
• 5.4.2 變異操作55
• 5.4.3 交叉操作55-56
• 5.4.4 選擇操作56-57
• 5.4.5 改進(jìn)差分進(jìn)化算法總體流程57
• 5.5 仿真實(shí)驗(yàn)與分析57-62
• 5.6 本章小結(jié)62-63
• 第6章 結(jié)論63-65
• 6.1 總結(jié)63-64
• 6.2 展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-68
• 在學(xué)研究成果68-69
• 致謝69

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