QBALL-X4四旋翼无人机非线性控制方法研究与实验验证

摘要

四旋翼无人飞行器(四旋翼无人机)能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些显著优势决定其在军事及民用领域重要的价值地位。四旋翼无人机是四输入六输出欠驱动系统，是典型的非线性系统，具有多变量、非线性、强耦合和对干扰敏感的特性。
　　本硕士论文针对四旋翼无人机的非线性特性，重点研究了动力学和运动学非线性数学模型，设计了三种不同控制方法的飞行控制器，其中非线性方法包括滑模控制(SMC)方法和反步控制(BSC)方法，线性方法包括线性二次型调节器(LQR)的方法；并通过MATLAB/Simulink仿真机实际飞行实验，验证所提算法的有效性。
　　首先，简要介绍了QBALL-X4四旋翼无人机系统实验平台，根据空气动力学及牛顿-欧拉方程，建立了QBALL-X4无人机的六自由度非线性动态方程，然后介绍了其中关键部件、电机的动态模型以考虑系统作动器的动态特性。其次，针对QBALL-X4无人机的非线性特性、及控制目标要求控制器具有较好的鲁棒特性，故提出一种基于滑模控制方法的QBALL-X4无人机控制器。为改善滑模控制方法带来的迟滞性，提出一种改进的滑模算法，将反步控制与滑模控制方法相结合，再次对控制器设计相应的控制律。与此同时，设计了带有积分作用的LQR控制器，以增加控制器的鲁棒性和跟踪能力。最后，通过仿真和实际飞行试验，实验验证了非线性方法比线性方法具有较好的鲁棒性，改进的滑模控制算法比改进前的滑模控制效果更佳。