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四旋翼飞行器的鲁棒自适应控制研究

崔道旺  
【摘要】:近年来,随着科学技术的发展,四旋翼飞行器因为其结构简单、造价低廉,而且能完成垂直起飞、定点悬停、低空超低速飞行等各种姿态动作等诸多优点,越来越多地被应用到军事和民用各个方面。但是,四旋翼飞行器系统是一个典型的非线性、多变量、高度耦合的欠驱动系统,且在飞行过程中易受到诸多干扰因素影响,难以建立准确的动力学模型,使得飞行控制系统的设计变得非常困难。虽然目前有多种控制算法应用于四旋翼飞行器的控制,但是结果表明实际控制效果仍有待提高。因此,我们需要研究更加有效的控制策略来获得满意的飞行控制效果。本文对微型四旋翼飞行器的应用现状、关键技术、应用前景以及控制方法研究现状等方面进行概括综述,然后根据其模型特点,重点研究了控制算法,设计出了两种非线性控制算法,主要研究内容和成果如下:首先,通过受力分析,建立了受扰的参数化不确定四旋翼飞行器非线性数学模型,模型中既考虑了系统内部参数化不确定,又考虑了外部干扰,所建模型更准确,更具有实际意义。其次,设计了一种基于鲁棒自适应控制的四旋翼飞行器全控制算法。针对系统内部的参数化不确定,设计自适应律在线估计;针对模型中的外界干扰部分,设计一种鲁棒函数抑制其影响,并且为防止干扰不确定项可能导致的系统不稳定和参数漂移等问题,文章使用了光滑投影的方法。最后通过仿真表明了所设计算法的有效性。再次,设计了一种基于自适应内模原理的四旋翼飞行器姿态控制算法。在建立了基于外界干扰完全未知的四旋翼飞行器非线性数学模型的基础上,采用自适应内模控制算法,设计了一种自适应内模控制器,通过理论分析证明了该方法的鲁棒性和良好跟踪效果。最后通过仿真说明所提算法的有效性。本文建立了四旋翼飞行器系统全面的非线性数学模型,针对其模型特点,设计了两种非线性控制算法,并通过理论分析及仿真分别证明和验证了所设计算法的有效性,为四旋翼飞行器的研究提供了一定的理论基础。最后,对全文做了总结和未来工作的期望。


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