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《天津理工大学》 2017年
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四旋翼无人飞行器自适应容错控制系统研究

刘凯悦  
【摘要】:四旋翼无人飞行器由于具有可操作性强、方向控制灵活、受环境条件影响较小、能够实现垂直起降以及空中悬停、成本低等优势,目前已经在侦查行动、边境巡逻、森林火灾探测、监视和搜索救援任务等领域得到了许多的应用。同时,由于四旋翼无人飞行器结构上是欠驱动的,且内部耦合严重,非线性程度很强,因此在理论设计与分析方面得到了大量的研究。本文对四旋翼无人飞行器的控制器设计进行了研究,考虑了外界气流变化、内部参数不确定、执行器发生失效故障情况下的四旋翼无人飞行器轨迹跟踪控制问题,取得了如下的成果:首先,对四旋翼无人飞行器的飞行原理进行了详细的介绍,为了避免欧拉奇异现象,本文采用基于单位四元数的姿态描述。考虑系统的欠驱动特性,将系统分解为位置欠驱动子系统以及姿态全驱动子系统。在位置控制时引入三维虚拟控制力对理想轨迹进行跟踪,同时提取出控制升力以及理想姿态,保证系统可以跟踪三维轨迹;同时设计输入力矩对理想姿态进行跟踪,实现姿态角的镇定。考虑到无人飞行器在飞行过程中所受外界气流变化等干扰,假设在慢时变干扰条件下,设计干扰观测器对干扰进行估计,可以证明观测误差指数收敛;之后利用所得到的观测值设计滑模控制器,得到控制升力以及控制力矩,并对闭环系统的稳定性进行分析,证明了闭环系统的渐进稳定性。考虑到无人飞行器的负载经常变化,在内部物理参数不确定的情况下,设计自适应律对未知参数进行估计,并利用估计值设计自适应控制器,得到不依赖模型参数的控制升力以及控制力矩,并对闭环系统稳定性进行分析,证明了闭环系统一致有界稳定,状态误差渐进收敛。考虑到四旋翼无人飞行器的驱动电机会出现漂移、部分失效等故障,在执行器部分失效情况下,引入乘性因子对故障进行表示,设计基于自适应方法的主动容错控制器,得到控制升力以及控制力矩,并对系统闭环稳定性进行分析,证明了闭环系统一致有界稳定,状态误差渐进收敛。最后,对本文的研究内容做出了总结,指出了工作的不足,并对未来的研究做出了展望。
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:V249.1

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