基于Backstepping和H∞回路成形方法的微小型四旋翼飞行器控制器设计

摘要

四旋翼飞行器是一种性能优良的VTOL（垂直起降）飞行器。相对于单旋翼飞行器，它具有结构简单、飞行速度快等优点，可广泛用于低空巡逻、军事侦查、航空摄影、气象勘测等方面，具有重大的使用价值和广阔的发展前景。本文在简述四旋翼飞行器的发展现状、研究热点和控制算法的基础上，以飞行器的控制器算法为研究主题，重点研究了四旋翼飞行器的动力学模型，并针对四旋翼飞行器的姿态控制、位置控制和速度控制设计了对应的控制算法，并通过仿真实验，验证了设计的控制算法的正确性和有效性。
　　首先，针对四旋翼飞行器的机械机构、控制和飞行任务三个方面的要求，设计了合理的机身架构和硬件系统。在机身架构方面，完成了机体材料的选取和机身结构的设计;在硬件系统方面，采用模块化的思想完成了控制器模块、传感器模块、执行器模块、无线通信模块、电源模块的设计。最后给出了机载软件的总体设计流程图。
　　其次，介绍了导航常用的坐标系以及坐标变换，分析了飞行器姿态角的含义。在此基础之上对飞行器进行数学建模，根据其机体结构特征以及动力学特性并依据牛顿-欧拉方程推导出了四旋翼飞行器的非线性动力学方程，为控制器的设计奠定了基础。
　　随后，分析得到的四旋翼飞行器的非线性动力学方程，根据系统状态变量之间的耦合关系将四旋翼飞行器模型划分为了三个控制子系统，分别为姿态控制器、速度控制器以及位置控制器。然后分别使用基于非线性控制理论的Backstepping方法以及基于线性控制理论的H∞回路成形的方法针对上述的三个子系统设计了相应的控制器。
　　最后，对上述基于两种控制理论设计出来的控制器分别进行了仿真实验，实验结果表明所设计的基于Backstepping以及H∞回路成形方法设计的控制器具有良好的控制效果。然后，比较两种方法的实验仿真结果并分析总结两种方法的优劣之处。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 历史简介

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．2．4 四旋翼飞行器主要控制方法综述

1．3 本文工作和组织结构

第二章 四旋翼飞行器实验平台设计

2．1 四旋翼飞行器实验平台需求分析

2．2 四旋翼飞行器总体硬件平台设计

2．3 四旋翼飞行器硬件电路的主要器件选型及其硬件设计

2．3．1 控制芯片

2．3．2 传感器

2．3．3 执行机构

2．3．4 无线通信模块

2．3．5 电源模块

2．3．6 硬件系统组装与测试

2．4 机载软件总体设计

2．5 本章小结

第三章 四旋翼飞行器建模与分析

3．1 四旋翼飞行器机械结构与控制原理

3．1．1 四旋翼飞行器机械结构

3．1．2 控制原理

3．2 坐标系与坐标变换矩阵

3．2．1 坐标系与姿态角的定义

3．3 坐标变换矩阵

3．4 四旋翼飞行器系统模型的建立

3．4．1 四旋翼飞行器建模的假设条件

3．4．2 四旋翼飞行器的动力学方程

3．4．3 四旋翼飞行器的运动学方程

3．4．4 四旋翼飞行器非线性模型的简化

3．5 本章小结

第四章 基于Backstepping方法的飞行控制器设计

4．1 反步法理论基础

4．1．1 Lyapunov稳定性理论

4．1．2 反步法原理

4．2 基于Backstepping方法的飞行控制器设计

4．2．1 四旋翼飞行器系统模型的状态空间描述

4．2．2 基于Backstepping的姿态控制

4．2．3 基于Backstepping的位置控制

4．2．4 仿真实验和实验结果

4．3 基于自适应Backstepping方法的控制器设计

4．3．1 自适应反步法的设计思路

4．3．2 四旋翼飞行器的自适应反步法控制器设计

4．3．3 仿真实验与结果分析

4．4 本章小结

第五章 基于H∞回路成形方法的飞行控制器设计

5．1 模型的不确定性

5．2 互质因子不确定性的鲁棒性分析

5．3 正规化左互质镇定进行H∞回路成形

5．3．1 反馈的性质

5．3．2 回路成形的概念

5．3．3 回路成形的设计步骤

5．4 基于H∞回路成形控制器设计

5．4．1 准LPV模型的建立

5．4．2 H∞回路成形控制器的控制要求

5．4．3 回路成形

5．4．4 鲁棒镇定

5．4．5 最终控制器的降阶

5．4．6 仿真实验与实验结果

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 对进一步工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果