四旋翼无人机鲁棒抗扰控制技术研究

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四旋翼无人机是一种能够实现垂直起降、空中悬停、侧飞和倒飞等功能的旋翼飞行器,相比于固定翼无人机,其在执行飞行任务的过程中具备更好的机动性和更大的灵活性,能够用于空中侦察、森林火灾监控、水上运输、农业喷洒以及地面测绘等领域,具有广泛的应用前景。因此,针对四旋翼无人机的飞行控制问题成为了飞行控制研究领域的热点问题之一。论文围绕外界干扰影响下的四旋翼无人机鲁棒抗扰控制问题展开研究,建立了四旋翼无人机的数学模型,并研究了四旋翼无人机在存在建模误差、输入受限、外界干扰等因素影响下的鲁棒抗扰飞行控制问题。论文主要研究内容如下:首先,介绍了四旋翼无人机的飞行原理,根据机理建模方法建立了四旋翼无人机的非线性动力学模型,分析了各旋翼的期望转速与力和力矩之间的分配关系,并基于四旋翼无人机的欠驱动特性设计了基于内外环的整体控制方案。其次,分析了不同风场环境对四旋翼无人机的姿态和位置的影响,讨论了常见的风场数学模型,针对风干扰下的四旋翼无人机设计了基于滑模控制的鲁棒飞行控制方法,并用Lyapunov方法证明了位置环和姿态环组成的闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明,整个闭环系统具有较好的跟踪性能,且对外界风干扰具有较强的鲁棒性。然后,研究了存在建模误差、姿态角间的耦合关系以及外界未知干扰情况下的四旋翼无人机的鲁棒抗扰控制。考虑到四旋翼无人机执行不同的飞行任务时,机体配备的负载会发生变化,这使得机体加负载的总质量在执行不同的飞行任务时具有不确定性。与此同时,这对四旋翼无人机的转动惯量也会造成影响。考虑系统的建模误差、姿态角间的耦合关系以及外界未知干扰,建立了四旋翼无人机的动力学模型。在位置子系统中对机体和负载的总质量以及外界慢变干扰进行自适应估计,对于姿态子系统,在惯性矩阵模型不精确的情况下使用滑模控制的方法来进行姿态控制,通过使用Lyapunov方法证明了整个闭环系统的稳定性,并在MATLAB仿真平台上对设计的控制方法进行了仿真验证。仿真结果表明,在负载质量发生变化和外界干扰变化缓慢的情况下,闭环系统具有较好的跟踪性能,且具有较强的鲁棒性。接着,研究了基于干扰观测器的四旋翼无人机鲁棒抗扰控制。针对位置子系统,首先设计非线性干扰观测器对外界不可测干扰进行估计,然后基于Backstepping的方法设计位置控制器,并将干扰的估计值引入到位置控制律中。对于姿态子系统,首先设计非线性干扰观测器对外界不可测干扰进行估计,然后基于线性滤波降阶方法设计姿态控制器,并将干扰的估计值引入到姿态控制律中。使用Lyapunov方法证明了整个闭环系统的稳定性,并对整个闭环系统进行了MATLAB仿真。仿真结果表明,所设计的干扰观测器对外界干扰具有良好的估计性能,有效的减弱了外界干扰对四旋翼无人机的影响,整个系统具有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性。最后,研究了存在输入饱和、建模误差和外界干扰情况下的四旋翼无人机的鲁棒抗扰控制。考虑输入饱和、建模误差以及未知外界干扰,建立了修正的四旋翼无人机动力学模型。对于位置子系统与姿态子系统中的执行器饱和与模型不确定项,设计神经网络干扰观测器对其进行处理。为了降低神经网络逼近误差与外界干扰对系统的影响,引入了非线性干扰观测器对复合干扰进行估计。基于Backstepping方法设计了位置环控制器,基于线性滤波降阶方法设计了姿态环控制器,并将神经网络干扰观测器的输出和非线性干扰观测器的输出引入到了位置环和姿态环的控制律中,并利用Lyapunov方法证明了整个闭环系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明,所设计的控制器使得存在输入饱和、建模误差和外界干扰的四旋翼无人机系统具有良好的跟踪性能,并且具有较强的鲁棒性。
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