基于ADRC的四旋翼飞行器自主避障控制系统研究

摘要

近些年来，多旋翼无人机由于机械结构较简单、机动性较好的特性在巡检、安防、测绘等行业得到了广泛的应用。然而其自主安全飞行，特别是障碍物环境下的目主安全飞行受到越来越多地关注。为此，本文开展了基于ADRC的四旋翼无人飞行器的自主避障和飞行控制算法研究。论文的主要工作和创新点如下:
　　首先，根据所搭建的四旋翼飞行器结构和配置，给出了四旋翼飞行器的六自由度数学模型。其次，针对机载传感器的配置，设计了基于四元数的姿态解算算法和基于扩展卡尔曼滤波的组合导航算法，以期获得准确、稳定的飞行器位姿信息。然后，采用自抗扰控制理论，研究了基于ADRC的四旋翼无人飞行器飞行控制算法，针对四旋翼飞行器控制系统中容易出现的航向通道控制器积分饱和问题，提出了基于变速积分的抗饱和航向控制算法，实现了四旋翼无人飞行器航向通道控制。最后，采用激光雷达传感器，考虑四旋翼飞行器动力学模型中的主要约束，提出了基于改进势场法的避障算法。
　　实验测试表明，所设计的基于ADRC的四旋翼无人飞行器飞行控制算法对于强耦合、非线性、带有未知扰动的四旋翼飞行器能够无稳态误差地实现姿态、轨迹控制，且具有较强的鲁棒性;同时，所设计的基于变速积分的抗饱和航向通道飞行控制算法使得航向通道达到较高的稳态精度，具有较小的超调量与较短的过渡时间;所提出的基于改进势场法的避障算法在户外强光下亦能正常工作。

目录

声明

摘要

插图与附表清单

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 多旋翼飞行器控制算法研究现状

1．2．2 多旋翼飞行器避障技术发展现状

1．3 论文研究工作

1．4 论文结构安排

第2章 四旋翼飞行器建模及系统架构

2．1 引言

2．2 系统构型与架构

2．2．1 飞行器构型

2．2．2 飞行器系统架构

2．3 相关坐标系

2．4 飞行器数学模型

2．4．1 动力学模型

2．4．2 运动学模型

2．4．3 控制关系模型

2．5 本章小结

第3章 基于ADRC的飞行控制系统

3．1 引言

3．2 传感器融合与组合导航算法

3．2．1 传感器特性分析

3．2．2 飞行器姿态解算

3．2．3 组合导航算法

3．3 基于ADRC的飞行控制算法

3．3．1 基于自抗扰控制器的姿态与轨迹控制

3．3．2 控制分配矩阵

3．3．3 基于自抗扰控制器的多变量系统解耦控制

3．3．4 基于抗积分饱和的航向控制

3．4 本章小结

第4章 基于改进势场法的自主避障系统

4．1 引言

4．2 基于改进势场法的避障算法

4．3 激光雷达强光干扰下的处理方法

4．4 本章小结

第5章 实验验证与分析

5．1 引言

5．2 传感器数据融合与组合导航实验与分析

5．3 基于ADRC的飞行控制实验与分析

5．4 基于改进势场法的自主避障实验与分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果