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四旋翼直升机姿态运动控制研究

作　者: 张家琪
导　师: 郑艳
学　校: 东北大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 三自由盘旋系统四旋翼六自由度欠驱动耦合 Backsteeping 滑模变结构
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 471次
引　用: 2次
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内容摘要

四旋翼直升机是一种外型新颖、性能卓越的垂直起降式直升机,具有广阔的军事和民用前景。与此同时,它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一。近年来,四旋翼直升机已经引起了广大科研人员的高度关注,成为国际上新的研究热点。本文通过对三自由度四旋翼盘旋系统的研究,模拟实际四旋翼无人机,构造了室内六自由度四旋翼无人直升机飞行系统。六自由度四旋翼直升机有四个输入,同时却有六个输出,所以它又是一种欠驱动系统。四旋翼直升机前后和左右两组螺旋桨的转动方向相反,通过改变螺旋桨速度来改变升力,进而改变四旋翼直升机的姿态和位置。本文针对四旋翼无人机的特点,主要进行了以下几个方面的研究：首先,介绍了目前国内外四旋翼无人直升机的研究现状和相关技术,以及四旋翼直升机的主要控制方法,论述了开展这方面研究工作的重要意义。其次,通过对六自由度四旋翼直无人机的工作原理和建模方法的研究,用三自由度盘旋系统试验平台模拟实际六自由度四旋翼无人机姿态运动,构造了四旋翼无人直升机的非线性模型。再次,根据系统欠驱动非线性模型的特点,提出了全驱动通道和欠驱动通道设计,对欠驱动通道设计了基于指数趋近律滑模变结构控制器；并通过仿真实验检验了控制器的有效性。最后,针对欠驱动通道状态之间的动态耦合性和实际四旋翼直升机工作情况,对欠驱动通道进行了子通道的设计,研究并设计了基于Backstepping的控制器,并利用MATLAB软件中Simulink模块建立了系统的仿真模型,仿真结果验证了控制器的有效性。本人通过试验平台模拟实际四旋翼直升机飞行运动,并设计控制器的方法可以指导实际四旋翼直升机飞行控制器的设计和姿态运动研究。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-17
  1.1 选题背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-14
  1.3 四旋翼直升机控制方法  14-15
  1.4 本课题研究目的和意义  15
  1.5 本文主要工作  15-17
第2章四旋翼直升机模型建立  17-27
  2.1 三自由度四旋翼盘旋系统组成  17-18
  2.2 六自由度四旋翼无人机工作原理  18-20
  2.3 非线性模型建立  20-26
    2.3.1 坐标系及坐标转换矩阵  20-22
    2.3.2 四旋翼直升机的平移运动  22-23
    2.3.3 四旋翼直升机的姿态运动  23-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章基于滑模变结构的控制器设计  27-41
  3.1 滑模变结构控制理论  27-33
    3.1.1 变结构理论的发展历程  28-30
    3.1.2 变结构的研究现状  30
    3.1.3 滑模变结构理论的基本原理及不变性  30-32
    3.1.4 抖振问题及其削弱策略  32-33
  3.2 滑模变结构控制系统设计  33-37
    3.2.1 四旋翼直升机动力学模型  34
    3.2.2 四旋翼直升机飞行控制系统设计  34-35
    3.2.3 滑动模面设计  35-36
    3.2.4 滑模变结构控制器设计  36-37
  3.3 仿真分析  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第4章基于Backstepping的控制器设计  41-55
  4.1 Backstepping方法  41-46
    4.1.1 Lyapunov稳定性  42-43
    4.1.2 严格反馈系统  43
    4.1.3 Backstepping算法及其稳定性证明  43-46
  4.2 基于Backstepping的飞行控制系统设计  46-52
    4.2.1 欠驱动通道的控制系统设计  47-48
    4.2.2 Backstepping控制器设计及其稳定性分析  48-52
  4.3 仿真分析  52-54
  4.4 本章小结  54-55
第5章结论与展望  55-57
参考文献  57-61
致谢  61

四旋翼直升机姿态运动控制研究

内容摘要

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