具有负载不确定性的四轴飞行器的自适应控制方法及其实验系统

摘要

近些年来，随着电池技术以及传感器等技术的快速发展，四轴飞行器越来越多地融入到了人们的生活，得到了广泛的应用。其结构简单，控制灵活，在军事、民用、警用、科研等方面都有着广泛的应用前景，显示出了巨大的应用价值。由于四轴飞行器系统具有高度的非线性、强耦合、欠驱动的特性，使对其的控制具有一定的难点。尤其是在四轴飞行器具有不确定负载时，传统的控制方法很难使飞行器保持稳定。本文主要研究了具有负载不确定性的四轴飞行器建模、控制问题，设计并搭建了室内机器人实验系统用于算法的验证。 针对四轴飞行器的姿态控制问题，本文根据牛顿第二定律和欧拉方程相关理论建立了四轴飞行器的动态方程。对负载不确定性的四轴飞行器进行建模，在不改变原有的电机矩阵的前提下，将机体重心处的电机矩阵转换成机体的几何中心的转矩与飞行器重心相对于几何中心的附加力矩的组合形式。将姿态控制分解为三个欧拉角的单独控制，基于李雅普诺夫稳定性理论，设计包含推力前馈的自适应控制器对欧拉角分别控制。数值仿真的结果说明了所提方法的有效性。 为了进行控制算法的验证，本文基于以上理论分析以及数值仿真结果，提出了室内机器人实验系统的设计方案，搭建了携带不确定负载的四轴飞行器实验系统，对四轴飞行器进行飞行控制实验。实验结果表明，本文所提的算法能够有效地对具有负载不确定的四轴飞行器进行姿态稳定控制。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2研究意义

1．2国内外研究现状

1．3四轴飞行器的组成以及飞行原理

1．3．1 四轴飞行器的组成

1．3．2四轴飞行器的飞行原理

1．4主要研究工作与内容安排

第2章四轴飞行器的运动学与动力学建模基本理论

2．1 概述

2．2坐标系与坐标变换

2．2．1参考坐标系

2．2．2姿态角

2．2．3坐标变换的旋转矩阵表示

2．2．4姿态角的变化率——旋转角速度

2．3四轴飞行器的的动力学方程

2．3．1 刚体的平动动力学

2．3．2刚体的旋转动力学

2．3．3四轴飞行器的非线性动态模型

2．4小结

第3章具有负载不确定性的四轴飞行器动力学建模

3．1 概述

3．2动力学问题描述

3．3具有负载不确定性的四轴飞行器的旋转动力学

3．4电机矩阵

3．5动力学模型的微分方程表示

3．6小结

第4章具有负载不确定性的四轴飞行器的自适应控制器设计

4．1 概述

4．2具有负载不确定性的四轴飞行器的自适应控制器设计

4．2．1 李雅普诺夫稳定性

4．2．2四轴飞行器状态方程的列阵形式

4．2．3控制律设计

4．3 自适应控制方法的实现

4．3．1 经典PID理论

4．3．2四轴飞行器的控制系统

4．4四轴飞行器控制算法的数值仿真

4．4．1 信号跟踪的仿真及分析

4．4．2存在有界干扰的仿真及分析

4．4．3与传统方法的比较分析

4．5小结

第5章实验系统设计与物理实验

5．1 概述

5．2实验系统设计与物理实验

5．3实验结果与分析

5．4小结

第6章结论

6．1 全文总结

6．2研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要工作与研究成果