基于魯棒補(bǔ)償?shù)男⌒蜔o(wú)人機(jī)飛行控制方法研究.pdf

1、隨著電子器件和傳感裝置的微型化、輕量化以及性能的不斷提高，各種類型的小型無(wú)人機(jī)在近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于中、大型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，小型無(wú)人機(jī)體積小、重量輕、成本低，具有起飛回收條件要求低、操作簡(jiǎn)單、部署快速靈活以及可消耗等特點(diǎn)，各種小型旋翼無(wú)人機(jī)更是能夠進(jìn)行垂直起降和懸停飛行，因此在軍事和民用領(lǐng)域有著極大的發(fā)展前景。然而，由于小型無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形靈活多變且低速小尺寸飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合、受低空氣流擾

2、動(dòng)影響大的高階非線性系統(tǒng)，對(duì)其自主飛行控制的研究具有很高的挑戰(zhàn)性和重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。本論文針對(duì)小型無(wú)人機(jī)的自主飛行控制問(wèn)題進(jìn)行理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于魯棒補(bǔ)償?shù)乃枷敕謩e對(duì)單架無(wú)人機(jī)線性控制器的改進(jìn)、單架無(wú)人機(jī)非線性魯棒姿態(tài)控制問(wèn)題、多架無(wú)人機(jī)非集中式二階一致性跟蹤問(wèn)題以及多架無(wú)人機(jī)非集中式編隊(duì)飛行控制問(wèn)題進(jìn)行輸出反饋控制算法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，改善小型無(wú)人機(jī)的飛行控制性能，并降低控制器復(fù)雜度，主要研究?jī)?nèi)容可概括為：
　　由于經(jīng)典的小

3、型無(wú)人機(jī)線性控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，成為目前使用最為普遍和成熟的控制方法。但線性控制方法也存在著性能不高、魯棒性和抗擾動(dòng)能力有限等局限性。本文結(jié)合魯棒補(bǔ)償?shù)乃枷胍约胺蔷€性滑模觀測(cè)器技術(shù)，在小型無(wú)人機(jī)經(jīng)典線性控制器的基礎(chǔ)上增加了對(duì)外界擾動(dòng)和不確定性影響的補(bǔ)償項(xiàng)，提出了基于滑模觀測(cè)技術(shù)的小型旋翼無(wú)人機(jī)魯棒輸出反饋?zhàn)藨B(tài)控制方法，在一定程度上克服了線性控制器的局限性，提高了控制器性能。該方法以小型旋翼無(wú)人機(jī)的二階簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，分

4、別設(shè)計(jì)了經(jīng)典線性二次型調(diào)節(jié)器和一個(gè)輸出注入滑模觀測(cè)器。提出的滑模觀測(cè)器能夠通過(guò)位置測(cè)量信號(hào)估計(jì)得到各狀態(tài)的速度信號(hào)以及折算到控制器輸出端的外界擾動(dòng)和不確定性作用量，其估計(jì)量逼近真實(shí)量的有限時(shí)間收斂性通過(guò)基于李雅普諾夫的方法進(jìn)行了證明。由該方法得到的控制器一方面使用觀測(cè)器得到的補(bǔ)償量改善了控制性能，另一方面也利用觀測(cè)到的狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)了輸出反饋控制，減少了對(duì)無(wú)人機(jī)上安裝速度傳感器的需要，其有效性通過(guò)數(shù)值仿真的方式進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　在線

5、性控制器的基礎(chǔ)上增加非線性魯棒補(bǔ)償器雖然能夠一定程度的提高控制性能，但由于線性控制器基于被控對(duì)象在設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)處的線性化模型，在遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)的狀態(tài)下控制性能仍然有限。為進(jìn)一步提高輸出反饋控制器的性能和穩(wěn)定性，本文基于新出現(xiàn)的魯棒誤差符號(hào)積分控制方法，提出了一種小型旋翼無(wú)人機(jī)非線性魯棒輸出反饋?zhàn)藨B(tài)控制方法。該方法以僅包含少量非線性特性的小型旋翼無(wú)人機(jī)二階簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，首先設(shè)計(jì)了一個(gè)濾波輔助系統(tǒng)，根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性分析的結(jié)果設(shè)計(jì)濾波后的誤差

6、信號(hào)和控制器結(jié)構(gòu)，并對(duì)新誤差信號(hào)的符號(hào)進(jìn)行積分后得到不確定性與擾動(dòng)補(bǔ)償器的表達(dá)式。通過(guò)基于李雅普諾夫的方法可證明得到的控制器能夠在使用輸出反饋的情況下，對(duì)任意有界且三階可微的參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)半全局漸近跟蹤，其包含的魯棒補(bǔ)償項(xiàng)對(duì)外界擾動(dòng)和不確定性的逼近能力也同樣得到了證明。為驗(yàn)證該方法的有效性，本文將其應(yīng)用到了一套三自由度直升機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與比較。
　　本文提出的上述兩種方法均針對(duì)單架無(wú)人機(jī)的控制，取得了有益的結(jié)論

7、。隨著小型無(wú)人機(jī)成本的下降，使用多架無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行由于具有更高的靈活性和冗余性，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但現(xiàn)有的多無(wú)人機(jī)協(xié)同控制方法具有眾多的局限性。因此本文基于上述對(duì)單架小型無(wú)人機(jī)飛行控制的研究成果，結(jié)合目前在一致性問(wèn)題研究方面的新進(jìn)展，進(jìn)一步提出了一種基于輸出反饋和魯棒補(bǔ)償?shù)亩酂o(wú)人機(jī)二階一致性跟蹤控制方法。該方法通過(guò)新設(shè)計(jì)的一致性控制器，將非集中式的一致性跟蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了僅使用本地可獲取信息的各子系統(tǒng)的控制問(wèn)題。隨后結(jié)合本文對(duì)單機(jī)控

8、制的研究成果，設(shè)計(jì)了各子系統(tǒng)的輸出反饋非線性魯棒控制器，并通過(guò)基于李雅普諾夫的方法證明了多機(jī)系統(tǒng)的二階一致性跟蹤能力。為驗(yàn)證該方法的有效性，本文使用四臺(tái)三自由度直升機(jī)搭建了一套多機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，將該方法應(yīng)用到了該平臺(tái)上，并對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與討論。
　　一致性問(wèn)題作為一類多機(jī)協(xié)同控制問(wèn)題的理論抽象，其重要應(yīng)用之一即為多架無(wú)人機(jī)的編隊(duì)飛行控制。因此在本文的最后一部分，結(jié)合上述在多無(wú)人機(jī)非集中式二階一致性跟蹤問(wèn)題的研究成果，提