低速四旋翼飞行器的姿态控制研究

摘要

低速四旋翼飞行器是具有六自由度的一种非共轴式蝶形飞行器，其具有非线性、强耦合、多变量等特性，且在实际飞行系统中会受到多种物理效应的作用以及外部环境的干扰，因此极难设计其控制器。但是，当前在军事和民用各个方面都有大量人力无法解决的问题急需旋翼飞行器去处理，特别是低速四旋翼飞行器，如地面战场的实时侦察和监视、重大自然灾害之后的搜救等。为使其飞行品质在各种干扰下都保持快速稳定的水平，保证在各极端环境下正常使用，姿态控制是飞行器实际飞行的重要保障之一，同时，旋翼飞行器作为一个研究平台，可以进行姿态检测，非线性系统控制、智能控制等研究，具有非常重要的研究价值。因此开展四旋翼飞行器的姿态控制研究有着重要意义。
　　本文针对四旋翼飞行器进行模型建立，并分析和设计了姿态控制器，主要进行了以下几个方面的研究工作：
　　(1)在调研了目前国内外四旋翼飞行器的研究现状和相关技术的基础上，对四旋翼飞行器的特性以及系统受力情况的分析，建立系统的非线性动力学模型。
　　(2)对四旋翼飞行器模型进行简化处理，应用二次线性最优控制(LQR)的原理，设计了基于简化模型的的姿态控制器，并通过系统的仿真模型验证了该控制器的可行性。然而，由于简化模型的不准确造成姿态角的超调，考虑到在实际飞行过程中可能会导致机体失去平衡，需对控制器进行改进。
　　(3)针对四旋翼飞行器的非线性模型，设计基于自抗扰控制器(ADRC)的四旋翼飞行器姿态控制系统。仿真结果表明，所设计的控制器可以实现各姿态角之间的解耦，且能够明显克服干扰的作用。在此基础上，利用Lyapunov方法论证所设计控制系统的稳定性。
　　(4)针对ADRC参数多且难以整定的问题，提出线性自抗扰控制器(LADRC)的设计思想。利用四旋翼飞行器的非线性动态模型信息，对线性扩张状态观测器(LESO)进行重构设计姿态控制器，该控制器不仅能够对当前系统的总扰动进行快速跟踪与估计，而且可以实时补偿总扰动。仿真结果表明，所设计的姿态控制器鲁棒性能最佳。在此基础上，利用频域特性分析论证了闭环系统的稳定性。
　　最后，为了验证所设计控制器的有效性和实用性，在四旋翼飞行器半实物平台上进行实时控制实验。实时实验表明，相比于LQR和ADRC，本文设计的LADRC既可以有效减少各姿态角的超调量以及跟踪误差，又可使系统在受到未知扰动的情况下仍能保持更好的稳定性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 四旋翼飞行器关键技术解析

1.4 本文主要工作

第二章 四旋翼飞行器模型建立

2.1 引言

2.2 四旋翼飞行器的工作原理介绍

2.3 四旋翼飞行器系统模型建立

2.4 本章小结

第三章 四旋翼飞行器飞行控制系统设计

3.1 引言

3.2 LQR控制及设计

3.3 ADRC控制及设计

3.4 LADRC控制及设计

3.5 本章小结

第四章 四旋翼飞行器半实物的控制与实现

4.1 引言

4.2 四旋翼飞行器半实物平台介绍

4.3 四旋翼飞行器实时控制实验

4.4 四旋翼飞行器实时抗扰实验

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 课题展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢