無人機(jī)非線性自抗擾控制方法研究.pdf

1、無人機(jī)是一種特殊的動(dòng)力空中飛行器,其主要特征是“無飛行員”,這一特性使無人機(jī)在軍事領(lǐng)域中被譽(yù)為21世紀(jì)的“尖兵之翼”。現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)中,降低作戰(zhàn)代價(jià)的最優(yōu)選擇為減少、甚至是避免人員傷亡,無人機(jī)憑借突出的自身優(yōu)勢(shì)在武器裝備角逐中的地位逐漸攀升。為更好的適應(yīng)信息化條件下戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,提升無人機(jī)飛行控制性能已迫在眉睫,考慮到無人機(jī)是利用空氣動(dòng)力克服自身重量進(jìn)行自主飛行,飛行過程中不可避免的要受到各類干擾源的影響,若簡(jiǎn)單地采用消除干擾誤差的線性方法

2、進(jìn)行飛行控制律設(shè)計(jì),顯然已不再適用,本課題從研究自抗擾控制方法(ADRC)的原理著手,提出采用該方法研究無人機(jī)飛行控制問題的策略。旨在改善利用非線性自抗擾控制技術(shù)改善無人機(jī)遭遇各樣干擾時(shí),穩(wěn)定性和操縱性下降的問題。主要從以下幾方面開展了課題的研究工作:
　　首先,在了解無人機(jī)運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上,建立無人機(jī)飛行控制六自由度數(shù)學(xué)模型,并對(duì)非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行小擾動(dòng)線性化簡(jiǎn)化。在此基礎(chǔ)上,分析無人機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)特性和橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)特性,建立了無人機(jī)

3、縱向運(yùn)動(dòng)模型和橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)模型,進(jìn)而確立本文研究問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié):設(shè)計(jì)具備理想的性能,同時(shí)還能有效的抑制干擾的合理的無人機(jī)數(shù)學(xué)模型,為后續(xù)研究工作奠定了基礎(chǔ)。
　　其次,深入的研究了自抗擾控制方法(ADRC),明確自抗擾控制器結(jié)構(gòu)、功能及工作原理。應(yīng)用Lyapunov方法證明了二階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)的穩(wěn)定性,并明確了保持穩(wěn)定性的充要條件,通過進(jìn)行誤差分析給出了不同參數(shù)下擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)誤差收斂的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。給出了基于fal

4、函數(shù)反饋結(jié)構(gòu)濾波的ESO設(shè)計(jì)方法和參數(shù)選取原則。
　　然后,針對(duì)無人機(jī)爬升/下滑階段,以無人機(jī)無傾斜無側(cè)滑飛行為基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng),應(yīng)用自抗擾控制策略設(shè)計(jì)了姿態(tài)角跟蹤回路并搭建了仿真平臺(tái),通過設(shè)計(jì)控制律,尋求合理控制參數(shù),完成對(duì)無人機(jī)在氣流、陣風(fēng)外干擾狀態(tài)俯仰姿態(tài)的控制,提出了一種基于ADRC控制和PI控制相結(jié)合的組合控制策略,通過分析仿真結(jié)果可見:自抗擾控制器(ADRC)無需針對(duì)被控對(duì)象的精確模型,也不用確定外擾的數(shù)學(xué)模型,即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無

5、人機(jī)俯仰角的快速、準(zhǔn)確跟蹤,并獲得相對(duì)理想的動(dòng)態(tài)性能,從而驗(yàn)證了自抗擾控制器(ADRC)具有很強(qiáng)抗干擾能力和魯棒性。
　　最后,通過分析無人機(jī)縱向飛行運(yùn)動(dòng)特性,并根據(jù)自抗擾控制器(ADRC)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)能夠估計(jì)并補(bǔ)償系統(tǒng)的不確定因素的原理,在無人機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)上,通過自抗擾控制器的擴(kuò)張觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)各回路運(yùn)動(dòng)的解耦,并進(jìn)行了ADRC的參數(shù)整定,完成了控制律設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上,最終完成對(duì)無人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)控制,通