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一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计

作　者: 黄溪流
导　师: 陈庆伟
学　校: 南京理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 四旋翼直升机动力学模型小扰动法反步法滑模控制量子粒子群优化
分类号: V249.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 758次
引　用: 4次
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内容摘要

微小型四旋翼无人直升机是一种结构简单、飞行方式独特的垂直起降无人机。在很多领域都有着广阔的应用前景。本文以一种四旋翼无人直升机为研究对象,根据微型四旋翼直升机的动力学特性建立了数学模型,分别研究、设计了线性和非线性控制器,并通过仿真试验进行了验证。主要研究工作为：针对本文所使用的微型四旋翼直升机进行了建模研究,从动力学和运动学两个方面分析其特性,得到微型四旋翼直升机的运动方程。分别利用小扰动方法和反馈线性化方法将非线性动力学模型线性化,针对姿态回路和位置回路设计了PID控制器,并通过仿真实验验证了所设计控制器的有效性。由于动态特性的影响,线性化控制器在实际运用中可能会引起平面内漂移等误差。为了对无人机进行高效、精确的控制,针对微小型四旋翼这个欠驱动系统,用基于反步法的滑模控制设计了欠驱动系统的非线性控制器。运用simulink搭建微小型四旋翼飞行器的仿真系统,仿真结果表明该控制器有效、可行。最后,针对系统实际应用情况,研究了具有外部扰动时的微型四旋翼直升机自适应控制。采用自适应方法对系统参数进行估计,设计了基于反步法的滑模控制器。仿真结果表明所设计的控制器能够较好的实现定点悬停和轨迹跟踪,抗干扰能力强,具有一定的鲁棒性；进一步,深入分析了控制器参数对系统性能的影响,利用量子粒子群多目标优化算法对参数进行了优化设计,得出了满足要求的参数优化值。仿真实验验证了方法的有效性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-14
  1.1 引言  8
  1.2 课题研究背景及意义  8-11
    1.2.1 研究现状  8-10
    1.2.2 四旋翼直升机的特点  10-11
    1.2.3 四旋翼小飞机的发展前景  11
  1.3 研究中的主要问题  11-12
    1.3.1 数学建模  11-12
    1.3.2 控制方法  12
  1.4 本文主要工作安排  12-14
2 四旋翼直升机动力学建模  14-22
  2.1 引言  14
  2.2 四旋翼直升机简介  14-16
    2.2.1 四旋翼直升机结构  14
    2.2.2 四旋翼直升机飞行原理  14-16
  2.3 四旋翼直升机动力学方程  16-21
    2.3.1 坐标描述及其转换关系  16-18
    2.3.2 动力学方程的建立  18-20
    2.3.3 模型的简化  20-21
  2.4 本章小结  21-22
3 基于系统线性化的PID控制器设计  22-30
  3.1 引言  22
  3.2 四旋翼直升机飞行控制系统结构分析  22-23
    3.2.1 小扰动线性化方程  22
    3.2.2 四旋翼直升机纵向运动小扰动线性化建模  22-23
    3.2.3 四旋翼直升机偏航运动小扰动线性化建模  23
  3.3 PID控制器设计  23-25
    3.3.1 姿态回路控制律  24
    3.3.2 位置回路控制律  24-25
  3.4 仿真分析  25-26
  3.5 基于反馈线性化的PID控制  26-27
  3.6 仿真分析  27-29
  3.7 本章小结  29-30
4 基于反步法设计的滑模控制器  30-42
  4.1 引言  30
  4.2 滑模控制的概念  30-32
    4.2.1 滑动模态的概念  30-31
    4.2.2 滑动模态存在及到达条件  31
    4.2.3 滑动模态到达条件  31-32
  4.2 反步法的概念  32-35
    4.2.1 李雅普诺夫稳定性的一些基本概念  32-33
    4.2.2 反步法及其稳定性  33-35
  4.3 基于反步法的控制器设计  35-38
    4.3.1 飞行控制系统总体设计  35-36
    4.3.2 基于反步法的滑模控制律  36-38
  4.5 仿真系统的设计  38-39
  4.6 仿真结果  39-41
  4.7 本章小结  41-42
5 自适应控制器设计及参数优化  42-61
  5.1 引言  42
  5.2 基于反步法的滑模自适应控制器设计  42-45
  5.3 仿真系统的设计  45-46
  5.4 仿真结果分析  46-52
    5.4.1 定点悬停  46-47
    5.4.2 轨迹跟踪  47-49
    5.4.3 抗干扰分析  49-52
  5.5 参数变化分析  52-60
    5.5.1 仿真分析  52-57
    5.5.2 参数的多目标优化  57-60
  5.6 本章小结  60-61
6 总结与展望  61-64
  6.1 本文总结  61
  6.2 进一步工作展望  61-64
致谢  64-66
参考文献  66-69

一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计

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