基于Qball-X4四旋翼无人机飞行控制器设计与实现

摘要

Qball-X4无人机系统是由加拿大Quanser公司开发的实时控制与仿真实验平台。四旋翼无人机具有多变量、强耦合及欠驱动的特性。其飞行控制可以通过PID控制、状态反馈控制和非线性控制等控制策略实现。本文的主要目的是设计和实现Qball-X4的实时路径跟踪控制。主要研究内容与创新可概括如下：
　　(1)从整体上对系统进行分析，包括Qball-X4的结构、受力分析和力矩分析。利用牛顿-欧拉法建模，推导出Qball-X4六自由度非线性模型。针对室内飞行控制特点，对模型近似和化简推导出线性化模型。
　　(2)以线性化模型为被控对象，设计了PID控制器来实现实时路径跟踪控制，PID增益是通过LQR优化方法得到。搭建仿真系统验证控制效果，并且将所设计的控制器应用于实际飞行控制系统中，验证所设计的控制器可以实现控制目标。
　　(3)针对传统PID控制器增益不可调节的缺陷进行改进，设计了增益调度PID控制器，增益调度算法采用的是基于T-S模糊推理的模糊控制算法。然后，对改进后的控制方案分别进行仿真和半实物仿真。
　　(4)以非线性模型为被控对象，把控制系统分成位置控制和姿态控制两个子系统，由位置控制器输出来修正姿态系统器给定输入。设计了积分型滑模控制器。搭建仿真系统，其中控制器和被控对象模型都是由S-函数编写的，针对仿真过程中出现的抖振现象，采用指数趋近律法进行改进，并通过仿真验证所设计的控制器可以实现控制目标。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文目标和结构

1．3．1 论文目标

1．3．2 论文结构

第2章 Qball-X4 UAV系统数学模型的建立

2．1 建模中相关定义和假设

2．1．1 坐标系定义

2．1．2 建模中的几个假设

2．1．3 无人机状态变量

2．1．4 坐标转换矩阵

2．2 Qball-X4 UAV系统的数学模型

2．2．1 系统整体分析

2．2．2 ESCs，电机和螺旋桨建模

2．2．3 几何关系建模

2．2．4 Qball-X4建模

2．2．5 Qball-X4数学模型

2．3 本章小结

第3章 基于LQR优化的PID控制器设计

3．1 Qball-X4的线性状态空间模型

3．1．1 执行器模型

3．1．2 滚转和俯仰状态空间模型

3．1．3 高度位置状态空间模型

3．1．4 x和y位置状态空间模型

3．1．5 偏航状态空间模型

3．2 基于LQR优化PID控制器设计

3．2．1 路径跟踪控制器设计

3．2．2 PID路径跟踪控制器的设计

3．2．3 基于LQR优化的PID控制器设计

3．3 仿真验证

3．3．1 Simulink仿真系统模型

3．3．2 仿真结果及分析

3．4 半实物仿真实验验证

3．4．1 实验环境

3．4．2 Simulink／QUARC仿真系统模型

3．4．3 实验结果数据及分析

3．5 本章小结

第4章 基于T-S模糊推理的FGS-PID控制器设计

4．1 FGS-PID相关理论

4．1．1 T-S模糊推理

4．1．2 GS设计方法

4．1．3 GS-PID

4．2 基于T-S模糊推理的FGS-PID控制器设计

4．2．1 FGS-PID控制器

4．2．2 FGS-PID控制器的结构

4．2．3 基于T-S模糊推理的FGS模块设计

4．3 仿真验证

4．3．1 FGS-PID仿真模型

4．3．2 仿真结果及分析

4．4 半实物仿真实验验证

4．5 本章小结

第5章 基于指数趋近律的ISMC控制器设计

5．1 滑模控制理论

5．1．1 滑模控制简介

5．1．2 滑模控制定义

5．1．3 等效滑模控制基本原理

5．2 积分型滑模控制器设计

5．2．1 积分型滑模控制器的结构设计

5．2．2 积分型滑模控制器设计

5．2．3 仿真验证

5．3 基于指数趋近律的ISMC控制器设计

5．3．1 抖振产生的原因

5．3．2 指数趋近律设计

5．3．3 仿真验证

5．4 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 论文主要工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢