【摘 要】
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飞行控制技术是四旋翼无人机的核心技术,其设计水平的高低直接决定了四旋翼无人机操控性能的优劣。本文针对四旋翼无人机飞行控制系统展开研究,旨在设计一种控制性能优越的飞
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飞行控制技术是四旋翼无人机的核心技术,其设计水平的高低直接决定了四旋翼无人机操控性能的优劣。本文针对四旋翼无人机飞行控制系统展开研究,旨在设计一种控制性能优越的飞行控制系统。首先基于牛顿-欧拉方法推导了四旋翼无人机动力学模型,该模型除具有复杂的非线性特征外,还具有欠驱动、强耦合、易受外部扰动干扰等动力学特性。上述动力学特性增加了四旋翼无人机飞行控制系统设计的难度。在忽略各通道间耦合作用的情况下,采用PID控制设计了飞行控制系统,实现了四旋翼无人机的稳定飞行控制。仿真结果表明,尽管PID控制基本能够实现四旋翼无人机的稳定控制,但在考虑各通道耦合及外界干扰的情况下,控制性能显著降低,无法实现高效、高精度控制。为解决姿态各通道间的耦合和控制器抗干扰能力差的问题,利用线性自抗扰控制理论设计了姿态解耦控制器和高度控制器。对姿态动力学方程进行分析处理,把姿态耦合形式划分为“静态耦合”和“动态耦合”。对于“静态耦合”,通过引入虚拟控制量消除耦合作用的影响;对于“动态耦合”,将其看作系统的内部扰动,利用线性扩张状态观测器进行实时估计,并在控制律中给予补偿。利用该观测器同时能够对外部扰动进行观测和补偿。仿真结果表明,该系统能够实现姿态通道间的解耦控制,并且能够很好地消除外界干扰对系统造成的影响。为进一步提升四旋翼无人机的飞行品质,采用非线性自抗扰控制理论设计了控制器。非线性自抗扰控制器采用非线性扩张状态观测器和非线性状态反馈控制律,控制器的解耦能力和抗扰能力显著增强,控制器的控制性能进一步提升。
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