文档介绍：摘要
四旋翼无人飞行器(Quadrotor UAV)是一种六自由度垂直起降无人飞行器(Vertical
Take-Off and Landing UAV, VTOL UAV),能够完成悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞
行等固定翼飞机无法完成的任务,与传统意义上的直升机相比,又具有结构和控制简单、
制造精度要求较低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势。近年来,四旋翼无人飞行器以
其诸多优点和在无人侦察、交通管理、森林防火、城市巡逻等领域的广阔应用前景,成
为国际上的研究热点。
由于四旋翼无人飞行器具有多变量、非线性、强耦合、欠驱动等特性,其控制问题
一直是该领域的研究重点,因此,本文的工作主要针对四旋翼无人飞行器的飞行控制问
题展开,将多种控制方法应用于四旋翼无人飞行器控制器设计,并通过仿真和实验对本
文提出的方法进行分析和验证。论文的主要工作如下:
1. 四旋翼无人飞行器非线性系统建模及动力学分析。传统四旋翼无人飞行器数学模
型以欧拉角或旋转矩阵作为系统状态对飞行器姿态进行描述,欧拉角法需要计算复杂的
超越方程且存在奇异问题,旋转矩阵法存在冗余,其控制器设计难度较大。针对此问题,
分别建立了基于四元数和修正的罗德里格参数的四旋翼无人飞行器姿态模型,进而针对
飞行器轨迹跟踪问题,建立了系统误差模型。在此基础上对四旋翼无人飞行器进行流场
分析,并分析了外界扰动对飞行器飞行稳定性的影响。
2. 四旋翼无人飞行器系统的设计与实现。以 DSP/FPGA 嵌入式系统为核心进行飞
行器硬件系统设计。选取直流无刷电机作为四旋翼无人飞行器执行机构,利用线间反电
动势检测法对电机转子位置进行估算,并设计了电机系统的控制程序。建立了基于四元
数的直接式导航方程,并利用无迹卡尔曼滤波器进行飞行参数的在线估计。
3. 基于飞行器简化模型的位置控制器设计。四旋翼无人飞行器在欧拉角为小角度情
况下可以进行近似,因此,在对四旋翼无人飞行器模型进行简化的基础上,从系统的级
联特性和非完整特性进行分析,分别利用经典 PID 方法和滑模控制方法进行控制器设
计,并通过仿真分析对控制效果进行了分析和验证。
4. 基于非线性系统模型的轨迹跟踪控制器设计。针对四旋翼无人飞行器的常参数不
确定性和在飞行过程中遇到的未知扰动,利用模型参数自适应 Backstepping 方法和模糊
自适应快速终端滑模控制方法对飞行器进行控制器设计。由于飞行器系统阶数较高,将
四旋翼无人飞行器系统划分为位置子系统和姿态子系统分别进行研究,降低控制器设计
难度,并利用级联系统分析的思想和旋转刚体的性质,对系统进行稳定性分析。
5. 四旋翼无人飞行器的实验研究。对系统搭建过程中几个关键问题进行了阐述,并
以设计的四旋翼无人飞行器系统为背景,对本文提出的控制方法进行飞行试验验证,并
通过实际飞行效果的比对,对各控制算法的性能进行分析并得出结论。
关键词:四旋翼无人飞行器;非线性系统建模;UKF 算法;自适应;反步法;终端滑模
控制;级联系统控制
Abstract
The quadrotor UAV is a kind of 6 Degree of Freedom Vertical Take-Off and Landing
UAV, which can fulfill missions that fixed-wing aerial vehicles cannot achieve, such as
hovering, flying with low speed, vertical take-off and landing and flying indoor. Comparing
with a traditional helicopter, it has the advantages of simple structure and control, low
requirement of manufacturing accuracy, strong stability and weak gyroscopic effects. In
recent years, the quadrotor attracts much attention due to its applications in unmanned
inspection, traffic supervision, forest fireproofing, city patrolling, and es a hot research
object.
Due to the dynamic characteristics of