基于自抗扰控制的四旋翼无人机飞行控制研究

摘要

近年来，四旋翼无人机由于其灵活性，紧凑的尺寸，低成本被广泛应用于军事，民用和科研等领域，越来越多的人开始利用四旋翼无人机研究无人机飞行控制系统。目前市面上常见的四旋翼无人机姿态控制器大都是基于串级PID控制器设计，这种控制方法原理简单、实现容易，然而四旋翼无人机是一个强耦合、非线性系统，飞行中有来自内部不确定性和外部环境的干扰，串级PID控制器很难抵抗这些干扰，在实际悬停飞行时姿态角会出现波动，而且当四旋翼受到外界干扰时波动更大，悬停效果更差。所以应该设计能有效抵抗内外部干扰姿态控制方法。 为了提高四旋翼无人机的抗干扰性能，常用的控制算法如经典的滑模控制算法具有很强的抗干扰能力，但是实际运用中容易出现高频抖动的问题;反步控制算法对于外界扰动不敏感，但控制算法控制效果依赖于被控对象数学模型的精度，而实际飞行中无人机参数是有可能变化的，精确的控制模型很难建立;模糊控制算法抗干扰能力强，对非线性系统具有很好的控制效果，但实际应用中需要针对控制对象选择合适的模糊规则。 自抗扰控制几乎不依赖数学模型，具有超强的抗干扰能力，能够实时估计无人机内部的不确定性变化和外界环境干扰，在控制量中进行补偿;同时自抗扰控制具有天然的解耦性能，非常适合四旋翼无人机的控制;另外控制算法实现简单，易于在微处理器上实现。但是在现有的大多数基于自抗扰控制器设计的四旋翼无人机姿态控制器都没有考虑动力系统对控制效果影响。本文完整分析了四旋翼无人机姿态控制过程后，引入动力系统模型基于自抗扰控制理论设计了姿态控制器，并利用Pixhawk飞控板验证了飞行效果。 另外在Pixhawk飞控板的使用中发现:飞控板软件代码PX4固件多航点轨迹生成采用直线连接航点的方式，然而基于此种方式生成的轨迹跟踪时在航点处输入位置控制器的期望位置信号会发生跃变，对无人机速度和加速度的连续性有很大的影响。本文在考虑四旋翼无人机动力学特性基础上，利用Mini Snap约束对水平面路径轨迹生成做了优化。 本文主要工作有:首先对四旋翼无人机的飞行原理进行了分析，推导了六自由度数学模型。针对四旋翼无人机的每一部分硬件组成选配合适配件，组装了飞行平台并进行了调试。在考虑了动力系统的动态特性，分析四旋翼无人机姿态控制流程的基础上设计了姿态控制器，控制器分为两部分:角度部分采用比例控制，角速度部分采用自抗扰控制以抵消内外部干扰。建立了MATLAB/Simulink仿真模型，利用人群搜索算法对部分控制参数进行了整定;进行了与串级PID控制器的对比飞行控制实验和抗干扰飞行实验，验证了设计的控制方案抗干扰性能。最后针对多航点轨迹生成，利用Mini Snap约束对水平面路径轨迹生成做了优化，并进行了实验验证。针对轨迹跟踪实验中需要频繁的加减速问题设计了轨迹跟踪器，仿真验证了设计方案的轨迹追踪效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1四旋翼无人机控制算法研究现状

1．2．2四旋翼无人机常用控制算法

1．2．3最优轨迹研究现状

1．3论文的主要内容和结构安排

1．3．1论文研究的主要内容

1．3．2论文的结构安排

第2章 四旋翼无人机动力学模型及搭建

2．1四旋翼无人机动力学模型建立

2．1．1四旋翼无人机的飞行原理

2．1．2坐标系描述及转化

2．1．3四旋翼无人机动力学模型

2．2四旋翼无人机搭建与调试

2．2．1四旋翼无人机的搭建

2．2．2四旋翼无人机的调试

2．3本章小结

第3章 基于自抗扰控制的姿态控制器设计

3．1自抗扰控制原理

3．1．1微分跟踪器

3．1．2扩张状态观测器

3．1．3非线性状态误差反馈控制器

3．2基于自抗扰控制的姿态控制器设计

3．2．1 PX4姿态控制分析

3．2．2姿态控制器设计

3．3本章小结

第4章 基于自抗扰控制的飞行实验

4．1仿真验证

4．1．1 仿真模型

4．1．2参数整定

4．1．3仿真分析

4．2飞行实验

4．2．1参数调整

4．2．2姿态控制飞行实验

4．2．3抗干扰性能飞行实验

4．3本章小结

第5章 无人机多航点轨迹生成与跟踪

5．1问题描述

5．2具体方案

5．3仿真和实验

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢