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小型四旋翼无人飞行器非线性控制方法研究

宋占魁  
【摘要】:小型四旋翼无人机是一种性能卓越且机械结构简单的新型无人飞行器.它不仅轻巧携带方便,且具有隐蔽性强、噪音小、后期维护简单等诸多优点,而且还涉及到众多领域的高尖端技术交叉融合,具备了重要的研究价值.本文将以四旋翼飞行器的姿态系统和常规动态系统作为研究对象,针对飞行器系统所遭受的外界扰动、惯性参数不确定以及执行器部分失效等问题,设计自适能力强、鲁棒性好的飞行控制系统来实现姿态和位置(路径)的跟踪控制.本文主要做了以下几方面的工作: 1.本文首先分析并建立了四旋翼飞行器的姿态系统与常规动态系统模型,分析了在一般意义下四旋翼飞行器的执行器在有无部分失效时其控制输入信号的相互关系,并给出了被控对象的基础数学模型,为后续章节的控制系统设计提供研究对象. 2.考虑了在四旋翼飞行器的姿态系统与常规动态系统模型下含有外界扰动与惯性参数不确定的飞行控制问题.首先在姿态系统中,利用反步方法来综合设计控制器,采用模糊逻辑系统对系统中不确定函数部分进行在线逼近,引入带有模糊监督策略的自适应鲁棒项对外界扰动进行补偿,从而抑制了扰动对控制系统所造成的不利影响.紧接着,在四旋翼飞行器常规动态模型下构造双闭环控制系统.在外环路中根据指令信号与反馈状态量间的偏差来设计虚拟控制律,同时此虚拟控制律又作为内环路的指令信号,进而设计内环路控制器.对于内外环路中所遭受扰动的影响,有针对性的在各环路中加入鲁棒项来进行补偿.通过内外控制环路的相互协调配合,可以使得跟踪误差能够收敛到稳定点的邻域内.仿真表明了所设计的控制算法的有效性. 3.研究了四旋翼飞行器姿态系统在双闭环结构下,基于有限时间策略的自适应滑模控制方法.在内外环路中分别引入一种带有双积分跟踪偏差的终端滑动平面,并由此综合设计控制器.在所设计的控制器中,采用在线自适应鲁棒补偿项来补偿并抑制外界扰动对系统造成的不良影响.所推出的方法可以保证跟踪误差在有限时间收敛到稳定点的邻域内.对于常规动态模型,采用同样的方法来设计双闭环控制系统,最终在内外控制环路的共同作用下使得整个控制系统稳定. 4.针对四旋翼飞行器姿态系统模型和常规动态系统模型下的执行器部分失效性问题,分别设计了自适应滑模补偿控制方法.在姿态系统中,当执行器发生部分失效性时,采用在线自适应调节机理来设计控制器,所设计的控制器将根据跟踪偏差的信息来综合调节补偿闭环系统.而在常规动态系统中,采用直接估计比例因子的方法来对执行器部分失效进行补偿.在控制器的设计中还加入辅助函数,不仅使得控制器的增益可以根据滑模状态的有效信息进行变化,而且还可柔化控制信号减弱抖振.通过内外闭环控制系统的配合,最终使跟踪误差收敛到稳定点的邻域内.


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