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基于抗外部干扰的四旋翼无人机姿态解算与飞行控制研究

卢文政  
【摘要】:四旋翼无人机因体积小、灵活机动、负载能力较强且成本低等诸多优势而广泛应用于民用和军事领域。四旋翼无人机是一个欠驱动、强耦合的非线性系统,执行特殊任务时会受到运动加速度和磁场干扰,对姿态解算精度产生严重影响,且飞行时极易受到风场干扰,影响系统鲁棒性和轨迹跟踪精度。为了提高姿态解算对运动加速度和磁干扰的抑制能力以及飞行控制器的抗风性能,本文围绕姿态解算和飞行控制两大方面展开了抗扰研究。论文的主要内容如下:(1)针对四旋翼无人机系统具有欠驱动、强耦合和非线性特性,采用牛顿-欧拉法推导并建立了非线性动力学模型和运动学模型。为探究四旋翼无人机飞行控制器的抗风性能,建立了风切变和Dryden大气紊流数学模型,两者叠加并运用空气动力学导入非线性动力学模型,得到了带有风扰因子的动力学模型。(2)考虑到MEMS传感器误差,建立了误差模型并进行了误差标定校正。由于单传感器估算姿态不准确,为了提高姿态解算精度,分别设计了基于互补滤波和梯度下降原理的姿态解算算法。考虑到固定步长影响梯度下降法性能,采用了Nesterov加速梯度融合9轴传感器数据,同时为了提高姿态解算对运动加速度和磁干扰的抑制能力,结合模糊控制,依据姿态误差动态调节权值信任因子。四组对比实验结果表明本文所提算法对运动加速度和磁干扰的抑制效果明显,同时也提高了姿态解算速度。(3)针对欠驱动问题,将四旋翼无人机分解成内外环子系统。采用条件约束法简化了动力学模型,分析了经典PID控制原理并设计了PID控制器。考虑到四旋翼无人机系统的非线性以及内外扰动,分析了滑模控制原理并设计了滑模控制器。风扰下轨迹跟踪仿真结果表明,PID控制器鲁棒性较差,但控制输入小而平滑,而滑模控制器鲁棒性强,但系统抖振严重。(4)针对滑模控制中的抖振,采用运动品质更好的双幂次趋近律抑制抖振。考虑到普通滑模控制器因受到风扰时可能存在稳态误差,在传统滑模面上引入积分项构成积分滑模面。为了增强系统抗风扰能力,引入扩张状态观测器对内部模型不确定扰动与外部风扰进行实时观测与反馈补偿,同时也减小了切换函数的增益系数,进一步削弱了抖振。风扰下轨迹跟踪仿真结果表明,本文所设计控制器降低了系统抖振,提高了系统鲁棒性、抗风扰能力与轨迹跟踪精度。


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