低速四旋翼飛行器的姿態(tài)控制研究.pdf

1、低速四旋翼飛行器是具有六自由度的一種非共軸式蝶形飛行器，其具有非線性、強耦合、多變量等特性，且在實際飛行系統(tǒng)中會受到多種物理效應(yīng)的作用以及外部環(huán)境的干擾，因此極難設(shè)計其控制器。但是，當前在軍事和民用各個方面都有大量人力無法解決的問題急需旋翼飛行器去處理，特別是低速四旋翼飛行器，如地面戰(zhàn)場的實時偵察和監(jiān)視、重大自然災(zāi)害之后的搜救等。為使其飛行品質(zhì)在各種干擾下都保持快速穩(wěn)定的水平，保證在各極端環(huán)境下正常使用，姿態(tài)控制是飛行器實際飛行的重要保

2、障之一，同時，旋翼飛行器作為一個研究平臺，可以進行姿態(tài)檢測，非線性系統(tǒng)控制、智能控制等研究，具有非常重要的研究價值。因此開展四旋翼飛行器的姿態(tài)控制研究有著重要意義。
　　本文針對四旋翼飛行器進行模型建立，并分析和設(shè)計了姿態(tài)控制器，主要進行了以下幾個方面的研究工作：
　　(1)在調(diào)研了目前國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀和相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對四旋翼飛行器的特性以及系統(tǒng)受力情況的分析，建立系統(tǒng)的非線性動力學模型。
　　(2)對

3、四旋翼飛行器模型進行簡化處理，應(yīng)用二次線性最優(yōu)控制(LQR)的原理，設(shè)計了基于簡化模型的的姿態(tài)控制器，并通過系統(tǒng)的仿真模型驗證了該控制器的可行性。然而，由于簡化模型的不準確造成姿態(tài)角的超調(diào)，考慮到在實際飛行過程中可能會導致機體失去平衡，需對控制器進行改進。
　　(3)針對四旋翼飛行器的非線性模型，設(shè)計基于自抗擾控制器(ADRC)的四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的控制器可以實現(xiàn)各姿態(tài)角之間的解耦，且能夠明顯克服干擾的

4、作用。在此基礎(chǔ)上，利用Lyapunov方法論證所設(shè)計控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　(4)針對ADRC參數(shù)多且難以整定的問題，提出線性自抗擾控制器(LADRC)的設(shè)計思想。利用四旋翼飛行器的非線性動態(tài)模型信息，對線性擴張狀態(tài)觀測器(LESO)進行重構(gòu)設(shè)計姿態(tài)控制器，該控制器不僅能夠?qū)Ξ斍跋到y(tǒng)的總擾動進行快速跟蹤與估計，而且可以實時補償總擾動。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的姿態(tài)控制器魯棒性能最佳。在此基礎(chǔ)上，利用頻域特性分析論證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。