三轴式旋翼飞行器鲁棒控制器设计与仿真

摘要

微小型旋翼飞行器是一种结构简单、飞行控制方式独特且可以垂直起降的飞行器形式，具有广阔的应用前景。目前，人们对旋翼飞行器的研究日趋成熟。其中，飞行器模型的建立和飞行控制系统的设计是研究的主要问题。
　　本文针对新型三轴式双旋翼飞行器，根据牛顿定律和欧拉方程，推导建立了其六自由度非线性方程，并重点分析讨论了其控制策略，给出了最终的控制对象模型。然后，采用经典的PID控制方法分别设计了飞行器的姿态控制器和轨迹控制器，并验证了其控制效果。
　　三轴式双旋翼飞行器是一个MIMO欠驱动系统，具有非线性、耦合等动力学特性。因此，为了实现更高效、更精确的控制，本文设计了基于动态逆的鲁棒控制器。首先，采用非线性动态逆方法，按照状态变量变化的快慢，将系统分为角速率回路、姿态角回路以及轨迹回路，并分别设计了飞行器的姿态回路控制器和轨迹回路控制器。仿真结果说明，在该控制系统作用下，系统具有良好的解耦性和稳定性。但是，动态逆控制器的鲁棒性较差，对模型的准确度要求较高。因此，本文在其基础上引入回路成形鲁棒控制器，设计了姿态回路鲁棒控制器和轨迹回路鲁棒控制器。通过选择适当的权函数，对原系统进行回路成形，改善系统的开环奇异值函数曲线特性，然后求解得到鲁棒镇定控制器，使得闭环系统具有良好的鲁棒性能和鲁棒稳定性。仿真验证表明，在鲁棒控制系统作用下，系统具有良好的悬停性能、跟踪性能、抗扰动性能和鲁棒性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

图表清单

注 释 表

第一章 绪论

1.1无人机发展和现状

1.2 无人机控制方法

1.3 本文主要研究内容

第二章 三轴式旋翼飞行器建模

2.1飞行器基本结构

2.2 飞行器动力学建模

2.3 飞行器控制策略

2.4 飞行器特性分析

2.5 本章小结

第三章 动态逆控制器设计

3.1 经典PID控制器设计

3.2 动态逆控制器设计基础

3.3 姿态动态逆控制器设计

3.4 轨迹动态逆控制器设计

3.5 系统鲁棒性分析

3.6 本章小结

第四章 鲁棒动态逆控制器设计

4.1 基本原理

4.2 控制器设计

4.3 回路成形控制器设计

4.4 姿态鲁棒动态逆控制器设计

4.5 轨迹鲁棒动态逆控制器设计

4.6 仿真结果分析

4.7 本章小结

第五章 控制器仿真验证

5.1 控制器仿真程序

5.2 飞行科目仿真

5.3 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文