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共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究

彭程  
【摘要】:近十几年来,无人飞行器在军事与民用上发挥了重要作用,展现出广泛的应用前景,相关研究工作正日益被科研人员所重视。特别是近些年来受到广泛关注的四旋翼无人飞行器,由于结构简单以及飞行方式灵活成为了无人机领域的一个研究热点。然而,四旋翼飞行器在结构上只有四个驱动单元,其机动能力受到一定的制约。由于其升力与重量的比值小,因此带载能力低,飞行时间短。同时四旋翼无人机没有配置足够的驱动机构冗余,可靠性不高。因此,在本文中提出了一种新型共轴八旋翼无人飞行器,共轴设计保证了该飞行器与四旋翼飞行器具有相同紧凑结构,且增加了四个执行单元,从而使得飞行器的驱动能力与带载能力明显增强,八旋翼系统的鲁棒性也有所提升,另外,共轴设计方案提供了一定的执行机构故障冗余能力,提高了飞行系统的可靠性。本文以共轴八旋翼无人飞行器为研究对象,进行了八旋翼飞行器的姿态与航迹跟踪控制,以及地面控制站软件系统设计的相关工作,为达到自主飞行的最终目标奠定了良好的基础与保障。主要内容包括以下几个方面: 对共轴八旋翼无人飞行器的动力学特性进行了研究。分析飞行器的动力学特性并建立动力学模型是进行飞行器姿态与航迹跟踪控制的基础。首先分析八旋翼飞行器的机械结构与飞行原理,通过合理的简化将飞行器视为具有空间六自由度的刚体,并利用相关动力学知识建立其质心平动与机体绕质心转动的动力学模型。接下来,基于分层递阶智能控制结构思想,构建共轴八旋翼无人机系统的自主控制体系结构,进行模块化划分,最终形成高效、实用的控制系统结构,为八旋翼无人机实现自主飞行提供了一个明确的方向。 为共轴八旋翼无人飞行器设计了姿态稳定控制器。姿态稳定控制是八旋翼无人机平稳飞行从而达到自主级别的基本要求,其任务是保证飞行器的三个姿态角可以稳定的跟踪期望输入值,并且保证跟踪误差具有期望的收敛特性。针对飞行器模型参数不确定性以及外界存在干扰,设计了基于自适应径向基神经网络的反步滑模控制算法,能够有效估计并补偿扰动对飞行系统的影响,通过数值仿真验证了姿态稳定控制算法的有效性。 设计共轴八旋翼无人飞行器的航迹跟踪控制器。自主航迹跟踪控制是飞行器实现自主飞行的重要环节,是保证飞行器能够执行各种实际任务的基础。根据共轴八旋翼飞行器的耦合特性,设计了基于粒子群优化的自抗扰控制器以及线性自抗扰控制器,通过仿真实验证明,在外部存在扰动情况下,两种航迹跟踪控制均具有良好的控制性能,特别是基于线性自抗扰的航迹跟踪具有更快的响应速度,算法实现更简单,更便于实际工程应用。 研究共轴八旋翼无人飞行器偏航姿态容易出现执行器饱和问题。通过理论分析可知,偏航姿态上的运动能力以及抗扰动能力均比其他两个姿态(俯仰和滚转姿态)弱,因此,偏航姿态容易出现执行器饱和现象。首先,在线性自抗扰的偏航控制中设计了基于LMI的静态抗饱和补偿器,利用仿真实验证实了引入抗饱和补偿器后,执行器饱和对偏航姿态的影响明显减少,八旋翼飞行器具有良好的偏航跟踪性能。接下来,针对实际工程中基于PID控制思想的八旋翼飞行器,提出了一种双闭环PD与变结构变参数PI相结合的偏航抗积分饱和控制算法,仿真实验与八旋翼原型机飞行实验均证明了该抗积分饱和算法的有效性,已经在实际工程中得到了应用。 设计并开发一套功能完善的地面控制站软件系统。首先,对地面站软件系统设计的工程需求进行了分析,采用功能模块化思想构建地面站软件的总体结构,分别对串口通信、导航电子地图、飞行任务管理以及数据库技术等功能逐一实现,进而实现了操作员对飞行器状况的实时监控。最后通过地面站测试证实该地面站软件系统是一个功能完善、操作方便、完全满足飞行任务需求的友好人机交互平台。 最后,总结了全文的研究工作与创新点,提出了今后进一步需要研究的问题。


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