基于ADRC的四旋翼飞行控制器设计

论文摘要

四旋翼飞行器是能够垂直起降的、多旋翼式遥控自主飞行器,它外型新颖、性能卓越,具有重要的军事和民用价值。四旋翼飞行系统具有非线性、强耦合性和数学模型不确定性的特点,工作时存在未知外扰的影响,这对四旋翼飞行运动控制系统的设计提出了更高的要求。自抗扰控制器(ADRC)不依赖对象的精确数学模型,能够解耦控制。本文将自抗扰控制技术应用于四旋翼飞行运动控制系统中,以改进传统控制方法的局限性。研究的主要内容包括以下几个方面：首先,根据四旋翼飞行器的动力系统模型以及空气动力学知识,由牛顿欧拉定理推导出了六自由度四旋翼飞行器的带有未知扰动的动力学方程。然后根据系统数学模型,并在忽略未知干扰的情况下对系统设计了经典PID控制器以及模糊PID控制器,仿真表明,模糊PID的控制效果优于PID控制效果。其次,通过对自抗扰控制器的理论分析,指出自抗扰控制器对耦合系统进行控制时,能够实现解耦控制。针对强耦合、非线性、带有未知干扰的四旋翼飞行器模型,设计了基于ADRC的四旋翼飞行控制器,该控制器能够无稳态误差地实现悬停控制、轨迹跟踪控制。最后通过仿真实验对控制器的有效性进行了检验。再次,通过引入模糊逻辑控制,实现了四旋翼飞行器的ADRC参数在线整定。利用模糊控制的适应能力,达到自动调整参数的目的。与此同时也提高了模糊自抗扰控制器的控制性能,增强系统的鲁棒性。该控制器对四旋翼飞行器的悬停控制,尤其是姿态角的控制,有优于ADRC的性能。最后,针对四旋翼结构的特点,本文把“时间尺度”的概念与控制器的参数整定相结合,通过理论计算仿真,得出以下结论：一旦对某一时间尺度的四旋翼飞行器系统整定好参数,在控制器结构不变的情况下,只需通过简单的时间尺度变换就可以直接适用于同阶次的其他四旋翼飞行控制系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 常用四旋翼飞行控制器设计方法
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 四旋翼飞行器的建模
• 2.1 引言
• 2.2 四旋翼飞行器的结构以及飞行原理
• 2.2.1 四旋翼飞行器的结构
• 2.2.2 四旋翼飞行器的飞行原理
• 2.3 四旋翼飞行器的模型建立
• 2.4 基于模糊PID的四旋翼飞行控制器设计
• 2.4.1 四旋翼PID飞行控制器设计
• 2.4.2 四旋翼模糊PID飞行控制器设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 自抗扰控制技术的理论基础
• 3.1 自抗扰控制器的概况
• 3.2 跟踪微分器（TD）
• 3.2.1 最速跟踪微分器
• 3.2.2 最速跟踪微分器的离散形式
• 3.3 扩张状态观测器（ESO）
• 3.3.1 状态观测器
• 3.3.2 扩张状态观测器
• 3.3.3 用扩张状态观测器完成动态补偿线性化
• 3.4 非线性误差反馈控制率（NLSEF）
• 3.5 耦合系统的自抗扰控制
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于ADRC的四旋翼飞行控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 自抗扰控制器设计思路
• 4.3 自抗扰控制器参数整定
• 4.4 四旋翼飞行控制器设计
• 4.5 仿真
• 4.5.1 悬停控制
• 4.5.2 轨迹跟踪控制
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于Fuzzy-ADRC的四旋翼飞行控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 Fuzzy-ADRC控制器
• 5.2.1 模糊控制器原理
• 5.2.2 模糊ADRC的设计
• 5.3 模糊ADRC参数自整定的一般原则
• 5.4 基于Fuzzy-ADRC的四旋翼飞行控制器设计
• 5.5 仿真
• 5.5.1 悬停控制
• 5.5.2 轨迹跟踪控制
• 5.5.3 扰动实验
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于时间尺度的参数整定方法在四旋翼飞行控制中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 带有输入的二阶系统的时间尺度
• 6.3 基于系统时间尺度的ADRC参数整定方法
• 6.4 ADRC在四旋翼飞行控制器中的参数整定及仿真
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢