Qball-X4四旋翼无人机飞行控制和编队控制研究与实现

摘要

四旋翼无人机具有机械结构简单，飞行灵活和空中悬停体积小等特点，在起飞场地狭小且需要长时间超低空悬停滞空作业等领域具备巨大应用潜力。相比单架无人机，多无人机编队更易于完成复杂任务，提高了容错率使得编队飞行控制成为现下研究热门课题。 本文根据四旋翼控制输入量少于状态输出量、非线性、状态变量耦合强等特点，分别建立了四旋翼和多无人机编队的数学模型，重点展开对四旋翼状态变量耦合、飞行轨迹实时跟踪以及多无人机编队队形保持等问题的研究。在此基础上设计了四旋翼飞行控制器以及两种编队控制器，并通过Simulink仿真和实物飞行实验对控制算法的有效性选行了验证。 首先， 对四翼无人机的飞行原理作了简要介绍，结合三维空间中刚体运动学理论和牛顿-欧控方程建立四旋冀飞行器的动力学模型，并介绍了Qball-X4四旋翼飞行器的主要组成部分。其次，根据四旋翼姿态角和位移量的耦合性强、系统对外部干扰敏感等特点，提出一种采用滑模控制方法的双闭环控制器，为减小滑模控制的抖振影响，在外部回路引入线性二次型调节器(LQR)控制并设计了控制器控制律。再次，在设计的飞行控制器基础上介绍了两种四旋翼编队控制器设计方法:第一种是Leader-Follower方法，首先指定领航者的参考轨迹，然后根据期望的队形解算出每个跟随着的参考位罩；第二种方法则是将四旋翼加速度作为其控制器参考输入，基于此设计队形控制器。最后，对上述两种编队控制器进行了仿真和实验验证。由仿真和实验结果表明，提出的编队控制算法可以使无人机编队保持队形。

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