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四旋翼飞行器建模与控制方法的研究
1 ]$ ]) a! A: d! i摘要
4 s$ l$ r. B) |! N* ~3 r6 f四旋翼飞行器是- -种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式遥控自主飞行器。它在总& b) ?+ o7 f4 R: S7 ?& G( Y
体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比,其特殊的机械结构
. `; @ b3 P: F$ [与飞行动力学特性，在科技研究应用中有者重要意义。本文以四旋翼飞行器为研究对象，
6 f4 F- g0 C* S1 l" Q主要在四旋翼飞行器的六自由度动力学建模,以及在此基础上实现系统欠驱动控制的非& p/ a1 ?5 ^9 x
线性控制方法的研究等两个方面展开了研究。) R, @: E! H/ f
研究的主要内容包括以下几个方面:. r% @- }7 w" V G2 Y* k
首先，根据六自由度的四旋翼飞行器的机体组成、运动产生机理，建立了描述四旋
: k- A* A3 [: `( A3 {翼飞行器飞行运动的机体坐标系和地面坐标系,并给出了两个坐标系之间的坐标转换矩' m% T; d6 P3 G6 V2 p
阵:再根据四旋翼飞行器的动力系统模型以及空气动力学知识，由牛顿欧拉定理推导出
4 w1 f! ~4 f* L, o/ `1 x5 M: j7 H了六自由度四旋翼飞行器的全状态非线性动力学方程。最后，根据系统数学模型，并在
0 Q8 ]& |9 F" t5 d- }: I忽略弹性形变、空气扰动等外部干扰的情况下对系统模型进行了适当的简化。
7 g& e+ V; A) S( ^其次，根据前面简化了模型，分析了四旋翼飞行器的欠驱动特性，据此提出了一种# ?. j& w( h( p# j' r& S
双控制回路，六子系统的欠驱动控制策略，再根据选择的系统状态变量与控制输入，得
/ s. @, V) Z5 ]1 ~ }1 g- s到了满足严格反馈形式的系统方程，在此基础上,设计了基于分步Backstepping方法的
4 [& B: O% q) T7 R5 c, Q四旋翼飞行器飞行控制器。该控制器能够无稳态误差地实现各姿态镇定、定点到达、位
7 [) K2 F- D. J+ c+ n置与偏航角轨迹跟踪。最后通过仿真实验对控制器的有效性进行了检验。
5 J% K; P7 e. W) r5 ~% C5 a( Q% i再次，为了解决系统模型误差对系统响应的影响问题以及四旋翼飞行器对外扰动敏, [1 W7 ?$ a) }1 v" r/ _1 J! d- I
感的问题，引入系统模型误差估计器和误差积分项，将Backstepping方法应用于构建系9 q9 \( r W# V6 ^8 R7 z5 B
统自适应控制器，实现了四旋翼飞行器的自适应控制。该自适应控制器在传感器干扰，
& n" S/ J) j/ n6 \: e外界扰动等情况下，有更优异的性能。最后通过仿真实验对控制器的效果进行了检验。# d( w* u, P& R/ M6 M
最后是对全文进行总结和对下-一步工作的展望。6 C4 y5 \8 h9 a8 t1 }0 D4 v
关键词:四旋翼飞行器，反步法，自适应控制，姿态控制，动力学建模
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发表于 2019-12-30 10:28
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