基于扩张状态观测器的四旋翼飞行器控制技术研究

摘要

四旋翼飞行器凭借其体积小和机动性强等特点得到了广泛的应用，其在飞行过程中将受到扰动因素的影响，因此增强系统的抗扰动能力对于四旋翼飞行器控制有着重要的意义。滑模控制是抑制系统扰动的有效方式，传统滑模控制通过引入符号函数使系统状态始终保持在滑模面上，实现了系统对于扰动的抑制。然而传统滑模控制中存在的抖振现象削弱了系统的控制性能，通过对系统中的扰动进行估计将有助于滑模控制中抖振现象的消除。　　扩张状态观测器是对扰动进行估计的有效方式，其通过将系统中总扰动作为扩张状态进行估计，实现了对系统模型不确定性和外界扰动的估计。传统扩张状态观测器多基于系统模型进行设计，当系统模型复杂时将增加基于系统模型的扩张状态观测器设计的复杂性，且由于滑模控制中控制律的设计目标是使系统状态收敛到滑模面上，因此若直接对经切换函数重构系统中的扰动进行估计将简化扩张状态观测器的设计过程。为此本文提出基于切换函数的扩张状态观测器，一方面将使扰动估计更加更直观，另一方面当系统中含有非匹配不确定性时能够更加全面地估计扰动。　　本文致力于研究四旋翼飞行器的干扰抑制控制问题，针对系统中存在的扰动提出了基于切换函数的扩张状态观测器设计策略，并设计基于扩张状态观测器的滑模控制器来抑制系统中的扰动且削弱系统中的抖振现象。为提高观测器的估计精度，提出了高阶广义扩张状态观测器。具体工作包含以下几个方面：　　（1）针对四旋翼飞行器姿态控制系统中存在的模型不确定性和外界扰动，提出基于切换函数的扩张状态观测器对系统中存在的扰动进行估计，并将扰动估计值与控制器的设计相结合，设计出基于扩张状态观测器的滑模控制器来实现姿态控制误差的收敛。　　（2）针对四旋翼飞行器轨迹跟踪控制系统中含有的非匹配不确定性，设计扩张状态观测器对非匹配不确定性进行估计，并将估计值加入到切　　换函数的设计中，使得当系统状态收敛到滑模面后，系统的控制误差收敛。基于切换函数的扩张状态观测器来估计经切换函数重构后系统中的总扰动，并设计基于扩张状态观测器的滑模控制器来实现轨迹跟踪误差的收敛和对抖振的抑制。　　（3）针对高阶扩张状态观测器无法精确估计正弦波扰动，提出高阶广义扩张状态观测器以同时实现对于常值扰动、斜坡扰动和正弦波扰动的精确估计，进而提高扩张状态观测器的估计精度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 四旋翼飞行器的研究现状

1.3 四旋翼飞行器的关键技术

1.4 本文的主要工作与内容安排

第二章 四旋翼飞行器姿态控制

2.1 引言

2.2 四旋翼飞行器受力分析与建模

2.2.1 坐标系间的映射关系

2.2.2 受力分析与建模

2.3 四旋翼飞行器姿态控制系统设计

2.3.1 滑模控制和扩张状态观测器介绍

2.3.2 姿态控制器设计

2.3.3 姿态控制系统稳定性分析

2.4 姿态控制系统实验

2.5 本章小结

第三章 四旋翼飞行器轨迹跟踪控制

3.1 引言

3.2 四旋翼飞行器模型解耦

3.3 四旋翼飞行器轨迹跟踪控制系统设计

3.3.1 子系统 控制器设计

3.3.2 子系统 控制器设计

3.4 轨迹跟踪控制系统稳定性分析

3.5 轨迹跟踪控制系统仿真

3.5.1 基于扩张状态观测器的滑模控制策略仿真

3.5.2 传统滑模控制策略仿真

3.6 本章小结

第四章 扩张状态观测器性能分析

4.1 引言

4.2 高阶扩张状态观测器性能分析

4.3 广义扩张状态观测器性能分析

4.4 扩张状态观测器性能比较

4.5 高阶广义扩张状态观测器性能分析

4.6 高阶广义扩张状态观测器仿真

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文