四旋翼飛行器建模與控制方法的研究.pdf

1、四旋翼飛行器是一種電動的、能夠垂直起降的、多旋翼式遙控自主飛行器。它在總體布局形式上屬于非共軸式碟形飛行器，與常規(guī)旋翼式飛行器相比，其特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)與飛行動力學(xué)特性，在科技研究應(yīng)用中有著重要意義。本文以四旋翼飛行器為研究對象，主要在四旋翼飛行器的六自由度動力學(xué)建模，以及在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)欠驅(qū)動控制的非線性控制方法的研究等兩個方面展開了研究。
　　研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　首先，根據(jù)六自由度的四旋翼飛行器的機(jī)體組成

2、、運(yùn)動產(chǎn)生機(jī)理，建立了描述四旋翼飛行器飛行運(yùn)動的機(jī)體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系，并給出了兩個坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣;再根據(jù)四旋翼飛行器的動力系統(tǒng)模型以及空氣動力學(xué)知識，由牛頓歐拉定理推導(dǎo)出了六自由度四旋翼飛行器的全狀態(tài)非線性動力學(xué)方程。最后，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并在忽略彈性形變、空氣擾動等外部干擾的情況下對系統(tǒng)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?br>　　其次，根據(jù)前面簡化了模型，分析了四旋翼飛行器的欠驅(qū)動特性，據(jù)此提出了一種雙控制回路，六子系統(tǒng)的欠驅(qū)動控

3、制策略，再根據(jù)選擇的系統(tǒng)狀態(tài)變量與控制輸入，得到了滿足嚴(yán)格反饋形式的系統(tǒng)方程，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于分步Backstepping方法的四旋翼飛行器飛行控制器。該控制器能夠無穩(wěn)態(tài)誤差地實(shí)現(xiàn)各姿態(tài)鎮(zhèn)定、定點(diǎn)到達(dá)、位置與偏航角軌跡跟蹤。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)對控制器的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)。
　　再次，為了解決系統(tǒng)模型誤差對系統(tǒng)響應(yīng)的影響問題以及四旋翼飛行器對外擾動敏感的問題，引入系統(tǒng)模型誤差估計器和誤差積分項(xiàng)，將Backstepping方法應(yīng)用于