四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究

摘要

四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直起降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，具有重要的军用和民用价值。四旋翼飞行器同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性，对其建模和控制是当今控制领域的难点和热点话题。 本文对小型四旋翼无人直升机的研究现状进行了细致、广泛的调研，综述了其主要分类、研究领域、关键技术和应用前景，然后针对本实验室的四旋翼仿真器实际对象，对其建模方法和控制方案进行了初步的研究。 首先，针对本实验室四旋翼飞行器的动力学特性，建立了四旋翼飞行器的物理模型，并基于此模型设计了系统的LQR控制器； 根据系统状态方程，选取合适的加权系数矩阵后，建立系统的状态反馈矩阵，从而实现飞行器最优控制器的设计； 通过仿真和实时控制验证了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了输入输出数据。 然后，采用RBF-ARX模型理论对四旋翼飞行仿真器系统进行全局的建模。着重讨论了RBF-ARX模型结构的选取，模型参数辨识，RBF-ARX参数优化等问题。并将RBF-ARX模型与ARX模型的预测输出结果相比较，证实了RBF-ARX模型在非线性系统建模中的优越性。 最后，基于RBF-ARX模型，在每个工作点处将其转化为线性ARX模型，并设计了全局的LQR控制器，通过仿真实验实现了飞行器的姿态控制。 从仿真结果看，基于RBF-ARX模型的LQR控制策略运行良好，能在限定范围内使飞行器达到各种姿态，并在较短时间内达到稳定。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1四旋翼飞行器课题的研究背景

1.2四旋翼飞行器的国内外研究现状

1.3四旋翼飞行器发展的关键技术

1.4课题研究的科学意义与发展前景

1.5本文的主要内容

第二章四旋翼飞行仿真器的力学建模

2.1建模的基本理论

2.1.1建模的基本概念

2.1.2建模过程的三个阶段

2.1.3数学模型的建立方法

2.1.4建模的流程

2.2四旋翼飞行仿真器控制系统简介

2.3四旋翼飞行仿真器的力学建模

2.4本章小结

第三章基于物理模型的四旋翼飞行器LOR控制器设计

3.1现代飞行控制系统设计方法的特点及应用限制

3.2 LQR最优调节器原理

3.3基于物理模型的四旋翼飞行器LQR控制器设计

3.4控制器仿真结果分析

3.5 Matlab Simulink实时控制

3.6本章小结

第四章RBF-ARX模型在四旋翼飞行器建模中的应用

4.1 RBF-ARX模型原理

4.1.1径向基函数(RBF)网络

4.1.2线性ARX原理

4.1.3 RBF-ARX原理

4.2 RBF-ARX模型的应用

4.3四旋翼飞行器的RBF-ARX模型

4.3.1系统建模与辨识的概念和步骤

4.3.2四旋翼飞行器系统RBF-ARX模型结构

4.3.3四旋翼飞行器RBF-ARX模型参数的辨识

4.3.4飞行器系统RBF-ARX模型参数辨识结果

4.4本章小结

第五章基于RBF-ARX模型的飞行器LOR控制

5.1基于RBF-ARX模型LQR控制器的设计

5.2仿真结果分析

5.3本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要的研究成果