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四旋翼无人机自适应控制方法研究

岳基隆  
【摘要】:随着嵌入式处理器、微传感器技术和控制理论的发展和成熟,微小型四旋翼无人机逐步向高效、多功能化方向发展,并广泛应用于军事、民用领域。其特殊的机械结构和动力学特性,在科学研究应用中也有着重要意义。本文以四旋翼无人机为研究对象,重点对四旋翼无人机的动力学模型、非线性估计算法和非线性控制算法展开了研究,目的是对四旋翼无人机的部分自适应飞行控制算法进行研究。研究的内容主要包括以下几个方面: 1、非线性动力学建模。针对四旋翼无人机特殊的气动布局和动力结构,分析了四旋翼无人机特殊的基本飞行模态和调节方式。采用叶素理论详细分析了旋翼的空气动力学特性,通过理论分析四旋翼无人机的气动力和力矩特性,给出了6自由度动力学模型,为进一步研究控制算法奠定了基础。 2、非线性估计算法。研究了非线性状态估计算法的基本原理,采用两种典型的非线性估计算法EKF和UKF,分别设计了两个飞行状态估计器,通过分析比较在四旋翼无人机飞行时两者的滤波效果,最后得出UKF在四旋翼无人机状态估计中的有效性,并进行了相关仿真实验。 3、非线性Backstepping控制算法。针对四旋翼这一特殊的欠驱动非线性系统,对其复杂的理论模型进行了必要的简化,基于该模型,给出了一个双回路、多子系统的控制结构。设计了基于该结构的Backstepping控制器,有效避免了Backstepping控制方法存在“计算膨胀”问题。利用Lyapunov理论,分析并证明了所设计控制系统的稳定性。最后,根据自适应控制设计方法设计了一个四旋翼无人机悬停时的自适应飞控算法,仿真实验验证了该控制算法的鲁棒性。


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