小型四轴飞行器建模与控制系统设计

摘要

小型四轴飞行器是一种可以垂直起降、机械结构简单并且易于维护的无人飞行器，具有非常重要的军事和民用价值。近年来，随着新材料、微机电系统(MEMS)、微型惯性测量单元(MIMU)以及无人机飞行控制技术的进步，小型四轴飞行器得到了迅速发展，目前已经成为各大高校、科研院所和企事业单位研究关注的热点领域。同时，小型四轴飞行器又是一种具有多变量、强耦合和非线性等特性的复杂系统，所以四轴飞行器的建模与控制也成为了控制领域研究的热点和难点。
　　本文首先论述了小型四轴飞行器的研究现状与发展前景，在分析小型四轴飞行器结构和飞行原理的基础上，采用基于牛顿-欧拉方程的方法建立四轴飞行器的数学模型，主要包括飞行器的刚体运动学模型、刚体动力学模型、控制分配模型和动力系统模型。同时，分析并建立了四轴飞行器的气动阻力模型，并通过一系列的参数测量实验得到了四轴飞行器的转动惯量和动力系统的参数。继而在MATLAB/Simulink环境下搭建了四轴飞行器的仿真平台。
　　针对四轴飞行器的未建模动态、模型参数和内外部扰动的不确定性等问题，本文将自抗扰控制器(ADRC)用于四轴飞行器控制系统的设计并详细介绍了ADRC的基本原理，并将粒子群优化算法(PSO)与最速下降法相结合用于ADRC的参数整定，使得ADRC控制器更易于实现且具有更广泛的适用性。在仿真平台上对ADRC四轴飞行器控制系统进行姿态角跟踪和位置控制、抗扰性分析和鲁棒性分析，结果表明ADRC控制器具有响应速度快、超调量小、抗干扰能力强、鲁棒性好的优点。
　　为了保证四轴飞行器在实际飞行过程中发生故障时仍然能够保持稳定飞行，本文将自抗扰控制技术与容错控制相结合用于四轴飞行器的控制系统设计。在分析飞行控制系统故障种类和容错控制技术的基础上，针对系统故障设计了LADRC被动容错控制器，其中 LADRC参数采用 HPSO来整定。通过仿真实验来分析该控制器的性能，结果表明所设计的LADRC容错控制器在抑制参数不确定性、外界干扰以及对执行器故障的容错控制方面都表现出了良好的性能。

目录

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 四轴飞行器国内外研究现状及发展

1.3 小型四轴飞行器关键技术与研究成果

1.4 本文主要研究工作

第二章小型四轴飞行器建模

2.1 引言

2.2 四轴飞行器结构及工作原理

2.3 坐标系与转换矩阵

2.4 基于牛顿-欧拉方程的四轴飞行器建模

2.5 四轴飞行器Simulink仿真平台搭建

2.6 本章小结

第三章自抗扰控制器

3.1 自抗扰控制器理论发展和应用研究

3.2 自抗扰技术的基本原理

3.3 自抗扰控制器参数整定

3.4 线性自抗扰控制器结构

3.5 本章小结

第四章基于ADRC的小型四轴飞行器控制

4.1 引言

4.2 耦合系统的自抗扰控制

4.3 基于ADRC的小型四轴飞行器控制系统设计

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

第五章四轴飞行器自抗扰容错控制

5.1 引言

5.2 飞行控制系统的容错控制

5.3 四轴飞行器的容错控制系统设计

5.4 仿真结果与分析

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果