四旋翼无人飞行器的智能控制方法研究

论文摘要

四旋翼飞行器是在旋翼无人机平台上发展起来的一个新概念,该系统是一个多输入多输出强耦合欠驱动的六自由度非线性系统。在本论文中将采用牛顿—欧拉形式推导飞行器的动态数学模型、模型的解耦和线性化、系统控制算法的实现、利用MATLAB-Simulink建立仿真模型并对系统进行仿真。系统的控制包括对高度、姿态角和线速度的控制。PID控制算法要求被控对象有确定的数学模型,在模型不确定时往往难以控制。同时,对PID控制参数的调节也没有准确的理论,主要是依靠经验估计和实验检验这样反复调整得到,这也增加了参数调节的难度,而且PID控制对参数的摄动和环境的干扰没有很好的鲁棒性。滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制,在动态过程中,根据系统当前的状态值有目的地不断改变系统结构,使系统状态轨迹沿“滑动模态”运动,通过设计滑动模态使其与系统参数摄动和环境扰动无关。为了弥补PID控制的不足,同时为了改善一般滑模控制的动态性能和消弱系统的抖振,在这里提出了基于趋近律的准离散滑模控制,该方法可以实现飞行器的高效控制并具有很好的鲁棒性。然后使用MATLAB-Simulink仿真软件,分别采用PID控制方法和基于趋近律的准离散滑模控制对四旋翼飞行器控制进行仿真,得到系统的仿真输出。通过系统的仿真输出评价两种控制方法的优缺点。最后将经过仿真的控制算法应用与四旋翼飞行器平台上检验飞行器动态数学模型准确性和控制算法的可行性,实现飞行器的有效控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 四旋翼飞行器的选题背景和意义
• 1.2 四旋翼飞行器的结构和发展
• 1.3 四旋翼飞行器控制方法研究的历史和现状
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 四旋翼无人飞行器的动态数学模型
• 2.1 相关的基本概念
• 2.1.1 世界坐标系和质心平动坐标系
• 2.1.2 本体坐标系
• 2.1.3 与动态数学模型相关的变量
• 2.1.4 四旋翼飞行器的升力和扭矩
• 2.2 四旋翼飞行器的动态数学模型
• 2.2.1 四旋翼飞行器的运动学方程
• 2.2.2 四旋翼飞行器的动力学方程
• 2.3 四旋翼飞行器的控制模型
• 3 四旋翼无人飞行器的PID控制
• 3.1 四旋翼飞行器控制系统的组成和结构图
• 3.1.1 四旋翼飞行器控制系统的组成
• 3.1.2 控制系统的结构图
• 3.2 PID控制的介绍
• 3.2.1 PID控制原理和控制器
• 3.2.2 PID控制的特点
• 3.2.3 传统PID控制的缺点
• 3.2.4 改进的PID控制器
• 3.3 飞行器的PID控制
• 3.3.1 姿态角的控制
• 3.3.2 姿态角及其角速度的控制
• 3.3.3 飞行器线速度和姿态角的控制
• 3.3.4 系统的高度和速度控制
• 4 四旋翼无人飞行器的滑模控制
• 4.1 滑模控制原理
• 4.2 滑模控制的抖振与消弱方法
• 4.2.1 滑模控制抖振产生的原因
• 4.2.2 滑模控制抖振的消弱方法
• 4.3 离散滑模控制律
• 4.3.1 基于等效控制的离散滑模控制律设计
• 4.3.2 基于指数趋近率的离散滑模控制律设计
• 4.4 飞行器的离散滑模控制
• 4.4.1 飞行器线速度和姿态角的滑模控制
• 4.4.2 飞行器高度和速度的滑模控制
• 4.4.3 飞行器偏航角的滑模控制
• 5 四旋翼无人飞行器的仿真与试验
• 5.1 飞行器参数的测量
• 5.2 行器的PID控制仿真模型
• 5.2.1 飞行器仿真系统框架
• 5.2.2 飞行器仿真模型
• 5.3 飞行器的PID控制仿真
• 5.3.1 飞行器高度控制仿真
• 5.3.2 飞行器俯仰角控制仿真
• 5.3.3 飞行器横滚角的控制仿真
• 5.3.4 飞行器偏航角控制仿真
• 5.3.5 飞行器整体控制仿真
• 5.4 飞行器的离散滑模控制仿真
• 5.4.1 系统离散滑模控制流程图
• 5.4.2 高度控制的逻辑程序框图与仿真
• 5.4.3 水平方向控制的逻辑程序框图与仿真
• 5.4.4 偏航角控制的逻辑程序框图与仿真
• 5.4.5 飞行器的离散滑模综合控制
• 6 结果与讨论
• 6.1 独立控制的仿真对照
• 6.2 整体控制的性能比较
• 7 结论
• 8 展望
• 9 参考文献
• 10 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 11 致谢