【摘 要】
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四旋翼无人机具有垂直起降、悬停等优势,在执行野外救援、地质勘探、航拍等任务时,与其他类型的无人机相比具有更明显的优势。同时,四旋翼飞行器具有结构简单,机动性强等特点,这使得飞行器的适用范围和领域更加广泛。并且四旋翼飞行器具有欠驱动,非线性,强耦合等特点给控制系统的设计带来了更大的难度。近些年国内、外研究学者和机构对飞行器的控制系统的设计产生极大地兴趣,四旋翼飞行器也逐渐的变成了复杂控制算法的验证平
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四旋翼无人机具有垂直起降、悬停等优势,在执行野外救援、地质勘探、航拍等任务时,与其他类型的无人机相比具有更明显的优势。同时,四旋翼飞行器具有结构简单,机动性强等特点,这使得飞行器的适用范围和领域更加广泛。并且四旋翼飞行器具有欠驱动,非线性,强耦合等特点给控制系统的设计带来了更大的难度。近些年国内、外研究学者和机构对飞行器的控制系统的设计产生极大地兴趣,四旋翼飞行器也逐渐的变成了复杂控制算法的验证平台。所以设计一种能够保证飞行器位姿稳定的控制算法具有极大地研究价值与意义。针对四旋翼飞行器的稳定飞行和位置姿态控制进行了以下的研究:首先,对飞行器的发展背景进行研究,并探究其研究意义,同时对飞行器位姿控制的研究方法进行阐述。根据具有执行器故障的飞行器,讨论能够控制飞行器平稳飞行的控制方法,并对容错控制的主要方法进行讨论,同时,根据故障的类型,对飞行器故障进行分类。通过对上述方法和技术的研究和总结,介绍本文内容组织安排。其次,对四旋翼飞行器机械结构进行简单地介绍,对飞行器的飞行原理的分析,能够更清楚的了解飞行器的位置和姿态动作,为进一步的研究提供理论基础。并且分别对运动学和动力学进行讨论,尤其是具有执行器故障的飞行器动力学模型,从而建立相应的四旋翼飞行器模型,为控制器设计和算法验证提供仿真平台。再次,对于飞行器的位置和姿态稳定控制进行设计,由于飞行器具有奇异性,所以在设计上使用非奇异终端滑模消除奇异,使姿态系统达到渐进稳定的目的。并对位置的跟踪误差使用有限时间预设性能函数,通过对误差设定上下界限,保证在有限时间内收敛。最后,使用Lyapunov法进行稳定验证。最后,采用事件触发控制策略,研究了四旋翼飞行器在执行器故障情况下的自适应跟踪控制问题。假设执行器故障模型为执行器堵塞和饱和故障。在设计过程中,提出了一种自适应反推控制器来补偿执行器故障的影响,保证了跟踪性能的渐近收敛性和闭环系统的稳定性。同时,为了节省通信资源和避免芝诺(Zeno)行为,引入了一种新的事件触发策略,该策略将可变阈值定义为一个结合跟踪误差和正常数的函数。调整后的阈值不仅有效地减少了触发器的数量,而且使控制器的设计更加灵活。证明了即使存在执行器故障,所有闭环信号都是有界的,并且跟踪误差收敛到原点的一个小邻域。最后,用Lyapunov方法验证了该方法的有效性。
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