小型四旋翼無人飛行器非線性控制方法研究.pdf

1、小型四旋翼無人機是一種性能卓越且機械結構簡單的新型無人飛行器.它不僅輕巧攜帶方便，且具有隱蔽性強、噪音小、后期維護簡單等諸多優(yōu)點，而且還涉及到眾多領域的高尖端技術交叉融合，具備了重要的研究價值.本文將以四旋翼飛行器的姿態(tài)系統(tǒng)和常規(guī)動態(tài)系統(tǒng)作為研究對象，針對飛行器系統(tǒng)所遭受的外界擾動、慣性參數不確定以及執(zhí)行器部分失效等問題，設計自適能力強、魯棒性好的飛行控制系統(tǒng)來實現姿態(tài)和位置（路徑）的跟蹤控制.本文主要做了以下幾方面的工作:
　　

2、1.本文首先分析并建立了四旋翼飛行器的姿態(tài)系統(tǒng)與常規(guī)動態(tài)系統(tǒng)模型，分析了在一般意義下四旋翼飛行器的執(zhí)行器在有無部分失效時其控制輸入信號的相互關系，并給出了被控對象的基礎數學模型，為后續(xù)章節(jié)的控制系統(tǒng)設計提供研究對象.
　　2.考慮了在四旋翼飛行器的姿態(tài)系統(tǒng)與常規(guī)動態(tài)系統(tǒng)模型下含有外界擾動與慣性參數不確定的飛行控制問題.首先在姿態(tài)系統(tǒng)中，利用反步方法來綜合設計控制器，采用模糊邏輯系統(tǒng)對系統(tǒng)中不確定函數部分進行在線逼近，引入帶有模糊監(jiān)

3、督策略的自適應魯棒項對外界擾動進行補償，從而抑制了擾動對控制系統(tǒng)所造成的不利影響.緊接著，在四旋翼飛行器常規(guī)動態(tài)模型下構造雙閉環(huán)控制系統(tǒng).在外環(huán)路中根據指令信號與反饋狀態(tài)量間的偏差來設計虛擬控制律，同時此虛擬控制律又作為內環(huán)路的指令信號，進而設計內環(huán)路控制器.對于內外環(huán)路中所遭受擾動的影響，有針對性的在各環(huán)路中加入魯棒項來進行補償.通過內外控制環(huán)路的相互協(xié)調配合，可以使得跟蹤誤差能夠收斂到穩(wěn)定點的鄰域內.仿真表明了所設計的控制算法的有效

4、性.
　　3.研究了四旋翼飛行器姿態(tài)系統(tǒng)在雙閉環(huán)結構下，基于有限時間策略的自適應滑模控制方法.在內外環(huán)路中分別引入一種帶有雙積分跟蹤偏差的終端滑動平面，并由此綜合設計控制器.在所設計的控制器中，采用在線自適應魯棒補償項來補償并抑制外界擾動對系統(tǒng)造成的不良影響.所推出的方法可以保證跟蹤誤差在有限時間收斂到穩(wěn)定點的鄰域內.對于常規(guī)動態(tài)模型，采用同樣的方法來設計雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終在內外控制環(huán)路的共同作用下使得整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定.

5、　　4.針對四旋翼飛行器姿態(tài)系統(tǒng)模型和常規(guī)動態(tài)系統(tǒng)模型下的執(zhí)行器部分失效性問題，分別設計了自適應滑模補償控制方法.在姿態(tài)系統(tǒng)中，當執(zhí)行器發(fā)生部分失效性時，采用在線自適應調節(jié)機理來設計控制器，所設計的控制器將根據跟蹤偏差的信息來綜合調節(jié)補償閉環(huán)系統(tǒng).而在常規(guī)動態(tài)系統(tǒng)中，采用直接估計比例因子的方法來對執(zhí)行器部分失效進行補償.在控制器的設計中還加入輔助函數，不僅使得控制器的增益可以根據滑模狀態(tài)的有效信息進行變化，而且還可柔化控制信號減弱抖振.