输入受限下四旋翼无人机的反步姿态跟踪控制

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垂直起降飞行器因其拥有适应性强、机动性高等特点,获得了广泛的研究和应用。以四旋翼无人机为代表的旋翼式无人机,具有结构对称、可靠性强、控制便捷、工作区域广等优势。又因四旋翼无人具有特殊的控制方式,近年来应用前景广阔。市面上的无人机产品使用的传统控制方法难以实现精准控制,且在无人机运动过程中由于执行器饱和以及扰动的存在,会使得无人机系统不稳定。同时,多无人机编队在续航时间以及任务载荷方面扩展了无人机的使用范围,但环境中障碍物会对编队飞行造成影响。因此本文针对四旋翼无人机飞行过程中存在的扰动、输入饱和以及障碍物等问题,设计了位姿控制器和编队避障控制器。具体研究工作如下:首先,分析了四旋翼无人机控制的总体框架以及运动方式;根据旋转矩阵变换建立了坐标系转换关系;将无人机运动分为平动运动和转动运动并根据牛顿-欧拉公式建立了完整的无人机动力学模型。其次,分析了反步控制策略和抗饱和辅助系统的工作原理;使用串级内外环解耦方法将无人机动力学模型解耦成内环姿态环子系统和外环位置环子系统;使用反步控制具有的化整为零思想,降低无人机系统在控制器设计过程中的难度,分别对内外环进行控制律设计;在此基础上引入抗饱和辅助系统用于降低系统输入,避免执行器饱和;设计仿真对比实验,验证了抗饱和反步控制器具有良好的轨迹跟踪和抗饱和能力。然后,针对四旋翼无人机在位姿控制中存在外界干扰、输入饱和以及模型不确定性等问题,提出了一种将反步饱和控制与抗干扰控制相结合的控制策略。在抗饱和反步控制基础上,将系统内部不确定项和外部扰动作为系统总的干扰项,分别设计了ESO扩展状态观测器和RBF神经网络用于扰动估计和补偿,通过Lyapunov稳定性理论证明了抗干扰反步饱和控制器的稳定性,通过仿真对比实验,验证了抗干扰反步饱和控制器的稳定性以及鲁棒性。最后,针对多无人机编队避障控制中存在的轨迹跟踪、编队成型和避障规划等问题,设计了一种带避障的无人机编队控制器。首先根据编队需求及一致性理论,设计了带虚拟领导者的编队控制器,保证了编队控制的有效性;同时针对障碍物规避问题,设计了非完全平滑人工势场函数,使得无人机编队能够有效避开障碍物,保证飞行的安全;通过仿真实验,验证了编队避障控制器具有良好的编队一致性和避障能力。
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