四旋翼无人机的无角速度姿态控制

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四旋翼无人机是一种体积小、飞行机动性高、续航能力强、稳定性高的可垂直起降的无人飞行器,具有很好的发展前景。随着科技的发展、控制技术的成熟,四旋翼无人机也逐步朝着多功能化方向发展,并且在民用、商用和军用领域得到广泛的应用。本文将四旋翼无人机的姿态控制作为研究课题,调研了国内外的发展和研究成果,发现在实际应用中飞行器的角速度信息常常无法精准获得,因此本文提出了一个角速度观测器来获得角速度估计值,在此基础上进行四旋翼无人机的姿态控制研究。本文在前人成果的基础上,通过刚体系统建模四旋翼无人机,考虑系统存在干扰,在此基础上定义一个角速度观测器,获得角速度和姿态估计值,并设计控制器,在理论和仿真上验证了系统的稳定性。研究的内容主要包括:(1)首先分析了四旋翼无人机的系统结构以及飞行原理,选用旋转矩阵对姿态进行描述。将四旋翼无人机假设为刚体,根据动力学特性以及飞行原理,建立其动力学模型。针对四旋翼无人机系统中存在空气扰动、测量噪声等干扰的问题,本文在建立的动力学方程中加入了外部干扰部分。(2)定义角速度观测器动力学方程,利用角速度和姿态的关系获得姿态估计值,定义误差函数,并给出其基本性质。通过李雅普诺夫稳定性理论证明当系统无干扰、存在有界干扰和动态干扰时的稳定性,并通过仿真结果验证所得结论。在此基础上将事件触发机制引入系统中,分析了无干扰和动态干扰情况下的系统稳定性。(3)进一步假设系统无法获得惯性矩阵的真实值,给出其估计值动力学方程,针对不同情况,证明系统的稳定性。最后,通过仿真实验验证干扰、惯性矩阵、事件触发等因素对系统稳定性的影响。本文的创新点如下:(1)考虑不同干扰对四旋翼无人机系统稳定性的影响,设计了一个角速度观测器,克服了无法及时准确获得角速度信息的弊端。(2)将事件触发机制引入四旋翼无人机的姿态控制中,在满足系统稳定性的同时可以有效减少系统的能量消耗。(3)进一步考虑无法获得惯性矩阵真实值的情况,通过引入估计值,设计了合适的控制输入,保证了系统的稳定性。
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