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四旋翼无人飞行器的非线性自适应控制器设计

刁琛  
【摘要】:近几年来,由于高密度电池,微小型电机驱动装置以及基于MEMS的传感器等技术的飞速发展,四旋翼无人飞行器能够在军用和民用领域完成各种复杂,危险的任务。四旋翼无人飞行器逐渐显示出了巨大的应用价值。 本论文主要着眼于研究微小型四旋翼无人飞行器的控制器设计方法。论文首先简要介绍了无人机的特点及用途;其次系统地介绍和比较了旋翼无人机与固定翼无人飞机的特点,并详细介绍四旋翼无人机的结构特点和飞行原理;接下来,论文举例介绍了当今国际上几种流行的四旋翼飞行器硬件平台结构,以及常见的几种用于控制设计的四旋翼飞行器动力学模型。 在本论文中提出了两种控制器设计: 第一个控制器的被控对象是动力学模型结构和参数已知的四旋翼无人飞行器,控制器采用基于李雅普诺夫稳定性理论和反步法的设计方法,控制目标为对飞行器纵向平动、横向平动、高度以及偏航角进行控制。本论文中定义一组误差量,并进行了合理的状态变换,使新的动力学模型结构满足反步法的要求。这个控制器的创新之处在于避免了以往类似控制器中含有代数环和系统状态高阶导数的问题。 第二个控制器的受控对象为动力学模型结构已知,但系统参数未知的四旋翼无人飞行器。通过设计未知参数自适应更新律,结合非线性反步法控制设计,给出了非线性自适应控制,实现了在动力学模型参数未知限制下,对无人机的纵向、横向、高度、偏航角的跟踪控制。 本论文对上述两种控制设计,利用基于Lyapunov的分析方法进行了稳定性分析,分析结果表明这两种控制设计都能取得对平动参考轨迹和偏航角参考轨迹的全局一致有界跟踪,并且能保证闭环系统的稳定,提高了飞行控制的安全性和可靠性。最后通过Matlab/Simulink数值仿真软件仿真验证了论文中提出的两种控制设计,仿真结果显示控制器取得了较好的航迹和偏航角跟踪控制效果。


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