多旋翼飞机鲁棒分布式运动同步算法研究

摘要

随着嵌入式系统技术、控制技术和无人机系统技术的快速发展，面对日益复杂的环境和多样化的需求，很多情况下，单机无人机系统无法满足复杂的任务要求，需要由具有单功能或多功能的单机构建的多机系统进行协同工作。协同无人机系统不但可以完成单无人机无法完成的任务，而且能使效率明显提高。构建多机协同系统的过程中，鲁棒性是非常重要的考量因素。假设协同系统中某个单机出现故障，此时如果在设计单机无人机控制律或者协同控制律时没有考虑鲁棒性，那么该故障无人机很有可能出现不可预知的状况，给整个协同系统造成灾难性的后果。因此无论对于单机的控制还是协同控制律的设计，都应当考虑系统的鲁棒性。 针对于单机控制，本文设计了基于不确定性及干扰估计器UDE的四旋翼飞行器的控制系统，包括姿态控制器与位置控制器，并在存在模型不确定性和外界干扰的情况下利用仿真平台验证干扰估计与干扰抑制技术的效果，验证了基于UDE的姿态以及位置控制器的有效性。 针对由单机构建的多机运动同步系统，分别对内环的姿态控制与外环的位置控制进行讨论。针对姿态同步，本文讨论基于全状态信息的状态反馈姿态同步和无角速度测量信息的控制方案，分别作为多旋翼飞机协同系统姿态同步控制方案的主要方案和备用方案，增强协同系统在未知环境作业时的可靠性。 针对位置同步，分为垂直位置和水平位置同步。针对垂直位置同步，本文提出一种高度测量信号的数据融合和滤波方案，从而更准确的获得高度测量信号。针对水平位置同步，介绍四轴非线性模型在小角度扰动下，位置模型可以近似看作双积分模型。基于双积分模型，提出了一种鲁棒分布式运动算法，对其进行收敛性分析进行仿真与实物验证。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.4论文目录安排

第二章 多旋翼飞行器系统建模与平台构建

2.1 概述

2.2 多旋翼飞行器系统数学建模

2.2.1 四轴数学建模

2.2.2 通信网络建模

2.3 多旋翼飞行器系统仿真平台搭建

2.4 多旋翼飞行器系统实物平台搭建

2.4.1 飞行器硬件结构

2.4.2 飞行器软件结构

2.4.3 视觉辅助系统

2.5 本章小结

第三章 单机姿态和位置的鲁棒控制：算法设计和仿真验证

3.1 概述

3.2 基于UDE的四旋翼飞行器控制器设计

3.2.1 基本原理

3.2.2 姿态控制器设计

3.2.3 位置控制器设计

3.3 稳定性分析

3.4 仿真结果

3.5 本章小结

第四章 多机姿态同步控制算法设计与仿真验证

4.1 概述

4.2 预备知识

4.2.1 姿态同步问题

4.2.2 相对姿态误差

4.2.3 姿态跟踪误差

4.3 状态反馈姿态同步

4.4 无速度测量信息的姿态同步

4.4.1 无主和主从式姿态同步

4.4.2 最终速度为零的无主姿态同步

4.4.3 协同姿态跟踪

4.5 仿真验证

4.6 本章小结

第五章 多机位置协调控制：数据融合，控制设计及实验

5.1 概述

5.2 垂直位置同步

5.2.1 高度信号的测量与数据处理

5.2.2 高度测量信号的数据融合

5.3 水平位置同步

5.3.1 四旋翼飞行器非线性模型与双积分模型

5.3.2 基于UDE的分布式运动同步算法设计

5.4 仿真验证

5.5 实物平台验证

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果