论文部分内容阅读
作为微小型无人机的一种，四旋翼无人机近年来受到很多学者的关注。独特的垂直起降特性和良好的操纵性能使四旋翼无人机成为最有潜力的构型之一。本文针对四旋翼无人机系统，重点对飞行控制算法进行理论研究，目标是建立能同时满足基本飞行控制要求和充分发挥四旋翼无人机灵活性的飞行控制系统，研究内容包括以下几个方面: 1.四旋翼无人机动力学建模: 将系统划分为机体，旋翼和电机三部分子系统。根据Newton-Euler刚体动力学方法建立了机体动力学方程，旋翼动力学在比较当前解析式模型的基础上采用简化的叶素原理建立，电机模型采用低电感无刷电机模型，最后建立了包含旋翼转速，位置，速度，姿态，角速度的完整三维动力学模型。 2.四旋翼无人机反馈线性化非线性控制: 论文首先针对四旋翼进行了开环控制性能分析，并利用传统PID方法进行了设计，证明了线性控制方法的弱点。在非线性控制策略上，论文采用输入输出反馈线性化方法建立了高度，姿态角与电机输入控制电压的等效线性系统，并保证了零动态的稳定性。然后针对控制系统的安全性问题，建立了平移坐标与俯仰滚转角的非线性映射关系，以此实现姿态角的上限控制，并在各通道内设计了内嵌控制器以限制下降加速度和姿态角速度。同时，针对非线性动态逆的奇异性问题，设计的控制系统能够避开系统奇异点状态。 3.四旋翼无人机多指标凸集成设计: 针对反馈线性化后的等效线性系统，论文对各通道进行了凸集成设计，以满足系统在鲁棒Hx性能，常值干扰性能以及闭环动态性能的多重要求，更进一步提升实际飞行中的飞行品质，这也是采用反馈线性化方法的一大优势。通过各通道权重系数的调节，凸集成设计的实现同时考虑了系统饱和输入的限制，仿真结果证明了系统能够完成原地偏转和定点跟踪动作，在随机干扰和脉冲干扰下仍能保证正常工作。 4.四旋翼无人机路径跟踪控制与快速运动策略探索: 针对系统路径跟踪控制设计，论文采用离散点跟踪和虚拟点导引方法，矩形轨迹的跟踪测试证明了设汁的有效性。同时，针对饱和输入约束对路径跟踪的限制，论文从耦合轨迹和底层控制的角度，探索了四旋翼快速运动的策略。首先从最优控制角度建立了变分方法饱和约束优化控制的精确模型。另外从计算量简化角度，使用多项式轨迹形式将轨迹优化控制转化成线性规划问题，能够针对多点问题进行快速的优化计算，并且设计了两点情形下基于梯度法的最快运动轨迹和耦合控制设计方法，针对多点情形进行了调试优化设计。