执行器饱和约束下的无人飞行器的镇定控制设计

摘要

垂直起降飞行器（VTOL Vehicles）因为自主悬停、结构简单和机动性强等特点，近年来在军事和民用领域受到了广泛的关注。四旋翼飞行器是垂直起降飞行器中的一种，因此也成为了科学家们的研究重点。
　　本论文主要研究了执行器饱和约束下无人飞行器的镇定控制设计。首先，介绍了四旋翼飞行器这类垂直起降飞行器和执行器饱和的相关背景知识与研究现状。其次，利用四旋翼飞行器的飞行原理与牛顿-欧拉定理建立了四旋翼飞行器的动力学模型，并将飞行器控制解耦为姿态角和空间位置的内外环控制，再用backstepping方法分别对内外环进行控制律的设计。然后，通过仿真说明了执行器饱和对飞行器系统性能的影响，同时介绍了解决执行器饱和的控制律重构方法，并采用该方法分别对控制律进行静态和动态重构来避免执行器饱和。最后，研究了执行器饱和约束下垂直起降飞行器控制律的设计，建立了该飞行器的系统模型并对系统模型进行适当简化，区别于四旋翼飞行器的控制策略，在设计其控制律时考虑了姿态角和空间位置的耦合关系，将设计好的控制律进行重构使飞行器的控制输入满足实际范围的限制要求，避免了执行器的饱和问题。
　　从单一的四旋翼飞行器到更具一般性的垂直起降飞行器，控制律重构方法既能使飞行器保持原有的稳定，又能避免执行器饱和，可见该方法具有较为广泛的适用性。

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1无人飞行器的研究背景及现状

1.2执行器饱和的研究意义和现状

1.3本文的研究内容和结构

第二章 预备知识

2.1四旋翼飞行器的飞行原理

2.2四旋翼飞行器模型

2.3本章小结

第三章 四旋翼飞行器控制律设计

3.1四旋翼飞行系统的控制结构

3.2基于backstepping的控制律设计

3.3基于backstepping的自适应控制律设计

3.4仿真结果与分析

3.5本章小结

第四章 执行器饱和约束下的四旋翼飞行器控制

4.1执行器饱和问题描述

4.2控制律重构方法

4.3四旋翼飞行器控制律的静态重构

4.4四旋翼飞行器控制律的动态重构

4.5仿真结果与分析

4.6本章小结

第五章 执行器饱和约束下的垂直起降飞行器控制

5.1垂直起降飞行器系统模型

5.2垂直起降飞行器的控制律设计

5.3垂直起降飞行器的控制律重构

5.4仿真结果与分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢