四旋翼无人机一种复合控制方法的研究

摘要

四旋翼无人机相对于传统的固定翼无人机，具有结构简单、垂直起降、定点悬停、低空低速飞行等优点，具有重要的军用和民用价值，近几年迅速成为研究热点。
　　由于四旋翼无人机是一种强耦合的欠驱动系统，使得对其建立精确的动力学模型和对姿态、位置的控制都变得十分复杂，而对四旋翼无人机进行精确的运动控制，是其在各个领域中得到应用的基础。飞行控制器只有拥有优异的控制效果，才能满足四旋翼无人机在各个领域的应用需求。本文针对四旋翼无人机，主要研究以下内容：
　　首先以四旋翼无人机实验平台为基础，对其动力学特性和飞行控制原理进行分析，利用牛顿-欧拉方程，在添加必要的约束条件下，分析实验平台各个组件的物理结构和受力情况，经过理论推导，建立其动力学模型，并进行合理的简化，方便后续控制器的设计。
　　其次针对四旋翼无人机的动力学模型，将四旋翼无人机系统分解成六个子系统，并表示成满足严格反馈的形式，利用Backstepping方法，从低阶到高阶，依次构造Lyapunov函数和虚拟控制变量，使低阶系统满足Lyapunov稳定性理论，最终得到实际的控制率。
　　然后通过分析四旋翼无人机姿态控制和位置控制的特点，对Backstepping控制器进行改进结合设计一种复合控制器。姿态子回路采用一种结合Backstepping方法和滑模变结构控制理论设计的反步滑模控制器，兼具Backstepping控制器的快速响应和滑模控制器的强抗干扰性；位置子回路采用自适应Backstepping控制器，使得位置控制更为准确平滑。
　　最后将两种控制器进行实现，加载到实验平台，分别针对高度、姿态角和悬停控制进行实验，将二者的控制曲线进行对比，结果表明复合控制器具有更优的控制效果。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要内容和论文结构

第2章 四旋翼无人机组成及动力学模型的建立

2.1 四旋翼无人机运动控制原理

2.2 无人机的两种坐标系定义及转换

2.3 动力学非线性模型

2.4 本章小结

第3章 四旋翼无人机Backstepping控制器设计

3.1 Backstepping设计方法

3.2 基于Backstepping的控制器设计

3.3 本章小结

第4章 结合反步法和滑模理论的复合控制器设计

4.1四旋翼无人机复合控制结构设计

4.2姿态子回路反步滑模控制器设计

4.3位置子回路自适应反步控制器设计

4.4 本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1 实验平台简介

5.2 Backstepping控制器实验

5.3 复合控制器实验

5.4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果