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基于反步法的微型四旋翼无人飞行器非线性自适应控制研究

作　者: 黄牧
导　师: 鲜斌
学　校: 天津大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 四旋翼无人飞行器反步法非线性自适应控制不确定性
分类号: TP273.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 321次
引　用: 2次
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内容摘要

无人机通常指无人驾驶、可以自主飞行或遥控操作、利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器,主要包括固定翼式和旋翼式两类。固定翼无人飞行器的技术已经比较成熟,并在实际应用中取得重大成功;和固定翼飞行器相比较,旋翼无人飞行器具有很多优势:比如能够适应各种环境;具备自主起飞和着陆能力,高度智能化;能以悬停、前飞、侧飞和倒飞等各种姿态飞行;但是旋翼无人飞行器因动力学特性远比固定翼飞行器复杂,发展就相对缓慢得多。近年来,旋翼无人机因其巨大的军用和民用价值,迅速成为控制领域内的研究热点。四旋翼无人飞行器是一种常见的旋翼飞行器,其模型具有高度非线性、状态耦合、欠驱动等特点,飞行控制设计比较困难。本文的主要任务是在分析四旋翼无人飞行器动态特性的基础上,采用反步法结合非线性自适应控制进行控制器设计,使四旋翼飞行器保持稳定的飞行状态,并且位置输出和偏航角能够跟踪期望轨迹;主要内容如下:第一,本文对四旋翼无人飞行器进行了建模;但是四旋翼无人飞行器动力学特性复杂,空气动力学系数容易变化,系统可能包含未知信息和噪声,所以其动力学模型中存在不确定性;这使控制器的设计变的更加困难。第二,本文采用反步法和自适应控制设计控制器,使四旋翼飞行器系统保持了稳定。为了便于反步设计,本文把四旋翼模型划分为四个子系统;第一个是欠驱动子系统,表示系统关于水平位置,滚动角和偏航角的动力学方程;第二个和第三个是全驱动子系统,表示系统关于偏航角和垂直位置的动力学方程;第四个子系统是关于推进力的动力学方程。在完成控制设计之后,本文利用基于Lyapunov稳定性理论的分析方法,证明了论文中提出的非线性自适应控制能够保证闭环系统的稳定,并在飞行器质量参数未知条件下,实现了水平位置、垂直位置以及偏航角的渐近稳定轨迹跟踪。最后,本文用MATLAB对四旋翼无人飞行器控制系统进行了仿真;仿真结果验证了使用反步法结合自适应控制能够使系统的位置输出和偏航角追踪期望轨迹,同时保持了滚动角和俯仰角的稳定。本文的创新之处是设计了基于反步法的自适应控制器,解决了质量未知的情况下四旋翼无人飞行器的轨迹追踪问题,并保证了系统稳定和跟踪误差收敛。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 课题背景  8
  1.2 四旋翼无人飞行器的历史和发展现状  8-12
  1.3 四旋翼无人飞行器的特点  12-13
  1.4 四旋翼无人飞行器研究意义和应用前景  13-14
  1.5 本论文的研究内容和结构  14-15
第二章四旋翼飞行器的建模和相关控制方法简介  15-26
  2.1 引言  15
  2.2 四旋翼飞行器的结构和飞行原理  15-17
    2.2.1 飞行器的结构  15-16
    2.2.2 飞行器的飞行原理  16-17
  2.3 四旋翼飞行器的建模及模型分析  17-22
    2.3.1 飞行器的模型的建立  17-21
    2.3.2 对四旋翼无人飞行器的分析  21
    2.3.3 其他常见四旋翼飞行器模型简介  21-22
  2.4 四旋翼飞行器常用控制方法  22-25
    2.4.1 欠驱动非线性控制方法简介  22-24
    2.4.2 四旋翼飞行器常用控制方法简介  24-25
  2.5 本文设计思路  25-26
第三章控制器设计和稳定性证明  26-46
  3.1 引言  26
  3.2 系统模型变换  26-27
  3.3 控制器设计  27-38
    3.3.1 子系统一的控制设计  28-32
    3.3.2 子系统二的控制设计  32-34
    3.3.3 子系统三的控制设计  34-35
    3.3.4 子系统四的控制设计  35-38
  3.4 稳定性分析  38-42
  3.5 投影算子证明  42-46
    3.5.1 投影算子一  43-44
    3.5.2 投影算子二  44-46
第四章控制系统仿真  46-60
  4.1 引言  46
  4.2 仿真模块简介  46-47
  4.3 仿真及结果分析  47-60
    4.3.1 定点控制仿真  47-53
    4.3.2 追踪控制仿真  53-60
第五章总结与展望  60-61
参考文献  61-64
发表论文和科研情况说明  64-65
致谢  65

基于反步法的微型四旋翼无人飞行器非线性自适应控制研究

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