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微型四旋翼非线性控制方法的研究

作　者: 袁向涛
导　师: 赵军
学　校: 东北大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 微型四旋翼欠驱动反步法反步滑模全程终端滑模姿态控制
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

四旋翼的概念早在1907年就已经提出,但是由于受当时技术条件的限制以及缺乏足够的控制手段,使得当时设计出的这类飞行器很笨拙,而且稳定性很差。近些年来,随着在传感器、传动装置、储能装置等方面的科技进步,四旋翼微型化有了很大进步,这也重新激发了人们对它的研究兴趣。微型四旋翼是一种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式无人飞行器。它无论在民用还是军事领域,都有着非常广泛的应用前景,例如它可以执行在战场的搜寻和监视任务以及在重大灾害后的室内外的搜救任务。而作为一种六自由度的飞行器,微型四旋翼只有四个电机驱动输出,是一种欠驱动系统,因此控制比较灵活,且有着自己的控制特点。本文在综述了微型四旋翼飞行器的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上,针对其独特的性能,重点研究其非线性控制,主要研究内容和成果如下：首先,定义了描述微型四旋翼运动的所需的坐标系,根据牛顿—欧拉方程建立了微型四旋翼的非线性动态多输入多输出系统,并将系统转化成了仿射非线性形式；其次,根据研究的需要简化了模型,分析了微型四旋翼直升机的欠驱动特性,据此提出了一种欠驱动控制策略,并在此基础上设计了微型四旋翼飞行控制系统基于反步法(Backstepping)的控制器。该控制器能够使位置变量和偏航角跟踪稳定并使俯仰角和偏航角稳定。最后通过仿真实验对算法有效性进行了检验；再次,研究了微型四旋翼姿态跟踪的鲁棒控制问题。第一部分重点研究了非线性反步滑模法在姿态控制控制的应用,并通过仿真实验验证算法的有效性；第二部分为了进一步提高姿态跟踪的收敛速度以及获取全局的鲁棒性,采用了一种全程终端滑模控制方法。这种方法能够保证跟踪误差能够在任意给定的有限时间内收敛至零,此外,由于初始状态在滑模面上,从而消除了到达阶段,因此整个系统能够始终对外界干扰和不确定性具有不变性。最后的仿真结果显示该控制器达到了设计要求；最后是对全文进行总结和对下一步工作的展望。

微型四旋翼非线性控制方法的研究

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