基于UVS平台的四旋翼无人机飞行控制方法研究

摘要

四旋翼无人机(quadrotor UAV)由于结构简单、机动性强、生产成本低等优点，近年来在军事和民用领域备受青睐。但由于具有非线性、半耦合、多变量和欠驱动等特性，大大增加了研究难度。本文基于UVS平台，以QBall2为研究对象，针对四旋翼无人机的控制器设计问题进行了相关研究。主要包含以下几个方面： 1、QBall2四旋翼无人机数学模型的建立。介绍了QBall2结构特性和飞行机理，基于惯性坐标系和机体坐标系，推导出QBall2的非线性数学模型。 2、积分型反步滑模控制器设计。根据QBall2四旋翼无人机半耦合特性，设计了以姿态回路为内环、位置回路为外环的双闭环控制结构，基于非线性算法——反步法设计控制器；再考虑无人机飞行过程中存在外界环境干扰和系统参数摄动问题，将抗干扰能力较强的滑模控制融入其中，以增强系统的鲁棒性；同时引入积分环节来减少系统的稳态误差和调节时间，最终设计出带有积分环节的反步滑模控制器。通过两组对比仿真实验验证了积分型反步滑模控制器较优于反步控制器和传统的反步滑模控制器。 3、基于ESO和积分型反步滑模法的控制器设计。针对复合干扰较强且存在系统建模不确定性问题时，积分型反步滑模控制器无法完成精确跟踪任务的情况，加入扩张状态观测器（extended state observer，ESO），最终设计出基于ESO和积分型反步滑模算法的鲁棒控制器。通过ESO来实时估算出系统的总扰动量并在控制量中进行补偿，从而增强了系统的抗干扰能力。以定点悬停和轨迹跟踪两组对比仿真实验验证了该控制策略的有效性。 4、基于UVS平台的半实物验证。介绍了UVS平台的系统组成，完成了基于该平台的半实物对比仿真实验，验证了本文控制器有较强的抗干扰能力，并对位置和姿态角的跟踪性能进行了分析。

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SouthwestUniversity

of Science and Technology

Master Degree Thesis

Grade: 2015

AcademicDegree Applied for: Master's Degree

Abstract

1绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2四旋翼无人机研究现状

1.3四旋翼无人机控制算法研究现状

1.4论文内容与结构安排

2QBall2四旋翼无人机飞行原理与数学建模

2.1QBall2机体结构

2.2飞行原理

2.3QBall2数学建模

2.3.1地面坐标系与机体坐标系

2.3.2机体坐标系与地面坐标系的转换

2.3.3QBall2数学模型

2.4小结

3积分型反步滑模控制器设计

3.1反步法控制

反步法(Backstepping)控制诞生于1991年，是一种递归设计。反步法的先决条件是系统模型可

3.2滑模控制

3.2.1滑动模态

3.2.2滑模变结构控制的基本问题

3.2.3滑动模态的存在条件

3.2.4滑动模态的到达条件

3.2.5滑模变结构的优缺点

3.3控制结构设计

3.4基于反步滑模法的控制器设计

3.4.1姿态环（内环）控制器设计

3.4.2位置环（外环）控制器设计

3.4.3非线性约束条件

3.5.1姿态环(内环)控制器设计

3.5.2位置环（外环）控制器设计

3.6控制器对比仿真实验

3.6.1小干扰情况（0.05sint）

3.6.2强干扰情况（2sint）

3.7小结

4基于ESO和积分型反步滑模法的控制器设计

4.1扩张状态观测器（ESO）

4.2.1基于ESO的复合干扰估计

4.2.2积分型反步滑模控制器设计

4.3控制器对比仿真实验

4.3.1定点悬停

4.3.2螺旋上升

4.4小结

5基于UVS平台的半实物验证与分析

5.1UVS平台系统组成

5.1.1QBall2

5.1.2PC主机

5.1.3无线通信

5.1.4OptiTrack定位系统

5.1.5QUARC软件

5.2半实物仿真对比实验

5.2.1积分型反步滑模法半实物仿真

5.2.2ESO和积分型反步滑模法半实物仿真

5.3小结

结　　论

1.工作总结

2.进一步的工作和研究展望

致　　谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果