多旋翼飛行器建模與飛行控制技術(shù)研究.pdf

1、多旋翼飛行器簡單的結(jié)構(gòu)、超強(qiáng)的機(jī)動性、獨(dú)特的飛行方式以及在軍事和民事領(lǐng)域展現(xiàn)出的巨大應(yīng)用價(jià)值,引起了國內(nèi)外學(xué)者以及科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注,并迅速成為目前國際上研究的熱點(diǎn)之一。然而,國內(nèi)對多旋翼飛行器自主飛行控制的研究與國外先進(jìn)水平之間還有一定的差距,此外,目前所廣泛研究的四旋翼飛行器的旋翼組件無任何冗余,任一執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)故障,都難以實(shí)施容錯飛行控制,只能任其墜落。因此,多旋翼飛行器在構(gòu)型以及先進(jìn)飛行控制方法方面都需要進(jìn)一步深入研究。針對上述問

2、題,本文以課題組提出的一種面對稱布局多旋翼飛行器為研究對象,以其實(shí)際飛行需求為目標(biāo),分別在數(shù)學(xué)建模和先進(jìn)飛行控制等方面開展了一系列研究工作。
　　首先,在詳細(xì)分析飛行器的構(gòu)型以及飛行原理的基礎(chǔ)上,對旋翼以及整個(gè)機(jī)體的空氣動力和動力矩進(jìn)行分析計(jì)算;在此基礎(chǔ)上,詳細(xì)推導(dǎo)并建立出較為完整的飛行器六自由度非線性數(shù)學(xué)模型以及飛行運(yùn)動控制模型,同時(shí)對數(shù)學(xué)模型和控制模型的開環(huán)特性進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,論證了該飛行器的飛行運(yùn)動特性具有強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合

3、、不確定的特點(diǎn),可以滿足飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。
　　而后,在充分考慮飛行器的不確定性以及外部干擾因素下,推導(dǎo)出帶有復(fù)合干擾的姿態(tài)控制系統(tǒng)模型。針對不確定姿態(tài)系統(tǒng),提出一種基于全調(diào)節(jié)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干擾補(bǔ)償?shù)聂敯糇赃m應(yīng)姿態(tài)控制器,其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中心向量和寬度向量均可在線進(jìn)行調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明該方法可有效實(shí)現(xiàn)對干擾的抑制,并可滿足飛行器的姿態(tài)運(yùn)動控制要求。
　　接著,為實(shí)現(xiàn)飛行器精確跟蹤期望軌跡的任務(wù)需求,提出一種基于回饋遞推-終端

4、滑模變結(jié)構(gòu)控制的軌跡跟蹤控制方法。其中,為抑制不確定以及外界干擾等構(gòu)成的復(fù)合干擾對飛行器的影響,提出一種自適應(yīng)滑模干擾重構(gòu)算法,該算法和徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣都無需知道復(fù)合干擾的界,但所提算法與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比具有設(shè)計(jì)簡單,易于工程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn);為實(shí)現(xiàn)該飛行器姿態(tài)穩(wěn)定以及對期望姿態(tài)和軌跡的快速與精確跟蹤,將所提的自適應(yīng)滑模干擾重構(gòu)算法與回饋遞推控制方法、動態(tài)面控制方法以及終端滑模變結(jié)構(gòu)控制方法相結(jié)合設(shè)計(jì)了飛行器的姿態(tài)控制器并基于回饋遞推控制

5、方法設(shè)計(jì)了飛行器的位置控制器。仿真結(jié)果表明所提方法的有效性和正確性。
　　然后,為了更好地體現(xiàn)和滿足飛行器實(shí)際工作特點(diǎn)和飛行需求,進(jìn)一步綜合考慮該飛行器在復(fù)合干擾影響以及狀態(tài)受限情況下的軌跡跟蹤控制問題。其中,針對系統(tǒng)中的復(fù)合干擾,設(shè)計(jì)了滑模干擾觀測器用于對復(fù)合干擾的重構(gòu)和補(bǔ)償控制律的設(shè)計(jì);針對該飛行器位置控制模型的特殊形式,借鑒滑?？刂品椒ǖ脑O(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了飛行器的位置控制器;在姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)中考慮復(fù)合干擾的影響、姿態(tài)角以及角速率

6、受限要求,設(shè)計(jì)了基于復(fù)合干擾重構(gòu)補(bǔ)償以及受限指令濾波的回饋遞推姿態(tài)控制器。結(jié)果表明所提方法可實(shí)現(xiàn)該飛行器在復(fù)合干擾以及狀態(tài)受到約束情況下的軌跡跟蹤控制。
　　最后,針對飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器故障問題,提出一種故障診斷、辨識和容錯控制策略。其中,考慮文獻(xiàn)[199]滑模干擾觀測器的控制量中存在著切換函數(shù),可能導(dǎo)致復(fù)合干擾的重構(gòu)值存在抖振現(xiàn)象的問題,提出一種改進(jìn)滑模干擾觀測器復(fù)合干擾重構(gòu)算法,并針對執(zhí)行器的失效和卡死故障問題,提出一