文档介绍：上海交通大学
硕士学位论文
小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
姓名:刘焕晔
申请学位级别:硕士
专业:软件工程
指导教师:胡飞
20090101
小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计

小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计

摘要

旋翼式飞行器因其起飞和降落所需空间较少,在障碍物密集环境下的操控性
较高,以及飞行器姿态保持能力较强的优点,在民用和军事领域都有广泛的应用
前景。其中,小型四旋翼飞行器的研究近年来日趋成熟,并为自动控制,先进传
感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台。在空中机器
人智能控制,三维路径规划,多飞行器空中交通管理和碰撞规避等方面,小型四
旋翼飞行器控制系统都具有很高的研究价值。
本论文对小型四旋翼飞行器的多种飞行控制算法展开研究,并通过大量的计
算机仿真加以验证。论文的主要工作和贡献如下:
1)小型四旋翼飞行器动力学建模:将四旋翼飞行器看作刚体,选取影响飞
行器运动的关键受力和力矩,之后根据牛顿定律和欧拉方程,推导出关于三个平
动位移量和三个转动位移量的动力学方程。
2)基于经典 PID 算法的四旋翼飞行器系统的控制:设计了一个基于经典 PID
算法的控制系统。在该系统中,将整个控制结构分为内环控制(姿态控制)和外
环控制(飞行位置控制)两个闭合环路,分别进行设计。该控制系统可使飞行器
准确飞抵目标位置,并在该位置保持盘旋状态下的稳定。
3)基于 Backstepping 方法的四旋翼飞行器系统的控制:根据四旋翼飞行器
系统的状态方程,运用 Backstepping 方法推导出使系统稳定的控制量表达式。仿
真结果显示,该控制器与基于经典 PID 算法的控制器相比,在系统响应超调,
上升时间和稳定时间三个方面均有明显改善。
4)基于 Backstepping 方法的四旋翼飞行器系统的自适应控制:在之前设计
的基于 Backstepping 方法的控制器的基础上,设计了分别针对未知质量和外界干
扰的估计器,从而使新设计的控制器具有自适应性。仿真结果显示,该控制器在
飞行器质量阶梯式递减和存在一定形式的外界小扰动的情况下,仍然能保持系统
的稳定,从而验证了该控制系统的鲁棒性。
纵观全文,在所建立的小型四旋翼飞行器动力学模型的基础上,本文在控制
系统的设计过程中遵循了由简单到复杂的方法论,在前一步设计的控制系统基础
上引入新的控制算法和结构,使飞行器最终在基于 Backstepping 方法的自适应控
制系统的控制下,表现出良好的稳定性和鲁棒性,从而为四旋翼飞行器的实际工
V
小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
程应用提供了重要的理论基础。

关键词四旋翼飞行器,飞行控制器,动力学模型,Backstepping 方
法,自适应控制

II
小型四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计

STUDY AND DESIGN
OF FLIGHT CONTROL SYSTEMS
FOR SMALL SCALE QUADROTORS

ABSTRACT

Rotary-wing aircrafts have many military and civilian applications due to their
requiring small areas for taking off and landing, great maneuverability in
obstacle-heavy environment and great ability to maintain the position and orientation.
The research of small scale quadrotors, one kind of rotary wing aircrafts, have
gradually e mature in recent years, and also provided an important platform for
investigations in such fields as the autonomous control, advanced sensor technology
puter science. Investigatio