基于无模型自适应控制方法的四旋翼飞行器姿态调整

摘要

四旋翼飞行器是由四个螺旋桨驱动的可以实现多种独特飞行动作、具有众多优良特性的一类非固定翼飞行器，具有重要的实际应用价值。然而，四旋翼飞行器是一个典型的具有强耦合、非线性等许多复杂特性的多变量系统，这使得四旋翼飞行器存在建模难的问题，因而针对四旋翼关键指标（如位置、姿态等）的控制方案设计也变得相对困难。
　　无模型自适应控制(MFAC)作为一种典型的数据驱动控制算法，对具有非线性、强耦合、时变等特性的系统具有很好的控制效果。因此，本文将数据驱动控制的方法引入到四旋翼飞行器控制算法的设计中。由于四旋翼飞行器位置与姿态存在耦合关系，并且姿态控制直接决定了位置控制的品质，所以本文着重研究了四旋翼飞行器的姿态控制，主要内容如下:
　　(1)分析了四旋翼飞行器的运动原理，将四旋翼飞行器的动力学模型简化为一个线性时不变系统，并据此设计了系统的LQR控制器并进行了仿真。但该模型忽略了坐标系的相对运动以及摩擦、空气等外力干扰的影响，模型的精度不高，导致LQR控制器仿真效果并不理想。
　　(2)为了解决四旋翼飞行器建模困难的问题，利用基于数据驱动控制的方法来设计四旋翼飞行器的控制方案。首先，为了避免参数整定的繁琐，引入了基于模糊自整定的PID控制方法。其次，针对四旋翼飞行器这类含有二阶积分的非自衡系统，提出了带有一阶差分和二阶差分的改进的MFAC(Improved MFAC，IMFAC)方案。最后，将PID与MFAC相将结合，针对四旋翼飞行器设计了MFAC-PID串级控制和基于IMFAC外环补偿的PID综合控制方案。
　　(3)在Simulink平台搭建控制器仿真模块，并进行了仿真。通过对比发现，使用基于数据驱动控制方法设计的控制器，包括模糊PID、IMFAC、MFAC-PID串级控制、基于IMFAC外环补偿PID控制，比基于线性时不变模型设计的LQR控制器具有更好的效果。特别地，改进的IMFAC、MFAC-PID综合控制方案相较于模糊PID控制具有更小的稳态误差和更快的相应速度。此外，MFAC-PID综合控制方案的抗干扰能力最强，控制效果最好。
　　(4)基于四旋翼飞行仿真器实物平台和MATLAB/simulink软件平台，分别进行了LQR、模糊PID和MFAC-PID串级控制对阶跃响应的多个实时控制实验。针对四旋翼飞行器可能遇到的干扰形式，进行了四旋翼飞行器抗内干扰和外干扰的实时控制实验。实验结果表明，四旋翼飞行器的MFAC-PID串级控制方案相较LQR、模糊PID控制器有着更好的跟踪能力和扰动抑制能力。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 四旋翼飞行器姿态控制方法

1．3．1 基于模型的控制方法

1．3．2 数据驱动的控制方法

1．4 论文研究内容和结构安排

2 四旋翼飞行器机理建模及基于模型的LQR控制器设计

2．1 四旋翼飞行器的运动原理

2．1．1 系统简介

2．1．2 三个姿态角的力矩平衡方程

2．2 对四旋翼飞行器的机理建模及LQR控制器设计

2．2．1 四旋翼飞行器的状态空间模型的建立

2．2．2 基于机理模型的LQR控制器设计

2．3 本章小结

3 数据驱动的四旋翼飞行器控制方案设计

3．1 基于参数自整定的模糊PID控制器设计

3．1．1 模糊控制基本理论

3．1．2 基于模糊PID的四旋翼飞行器控制器

3．2 基于MFAC的四旋翼飞行器控制方案设计

3．2．1 紧格式MAFC控制算法

3．2．2 四旋翼飞行器改进的MFAC控制方案

3．2．3 改进的MFAC控制系统的Simulink仿真开发

3．3 四旋翼飞行器的MFAC-PID综合控制方案设计

3．3．1 MFAC-PID串级控制方案的设计

3．3．2 基于改进的MFAC外环补偿的PID控制方案

3．4 本章小结

4 四旋翼飞行器控制系统的仿真研究

4．1 信号跟踪的仿真及分析

4．1．1 阶跃信号响应的仿真及分析

4．1．2 模型失配下的阶跃响应仿真及分析

4．2 抗干扰仿真及分析

4．2．1 抗阶跃干扰的仿真及分析

4．2．2 抗脉冲干扰的仿真及分析

4．3 本章小结

5 四旋翼飞行器控制在仿真器平台的实验研究

5．1 四旋翼飞行仿真器实验平台介绍

5．2 阶跃信号响应的实验及分析

5．3 抗干扰实验及分析

5．3．1 抗内干扰的实验及分析

5．3．2 抗外干扰的实验及分析

5．4 本章小结

6 小结

参考文献

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