發(fā)布時間：2020-11-15 20:34

　　 四旋翼無人機由于其優(yōu)秀的靈活性與機動能力,受到了眾多研究人員的青睞。在許許多多工程師與學者的共同努力下,四旋翼無人機已經(jīng)廣泛應用于軍事偵察、警用巡邏、農(nóng)業(yè)考察、娛樂航拍與物流運貨等眾多領域。而由于四旋翼無人機具有欠驅動、強耦合、非線性等特點,使得其控制問題較為困難。在四旋翼無人機控制中,軌跡跟蹤與避障著陸具有非常重要的實際意義,針對這兩個方向,本文主要開展以下幾個方面的研究:分析四旋翼無人機工作原理后,建立了無人機系統(tǒng)的數(shù)學模型。通過對數(shù)學模型的處理,建立了姿態(tài)環(huán)與位置環(huán)的聯(lián)系,通過設置虛擬控制量解決了四旋翼欠驅動的問題,為后面設計控制器打下了基礎。針對四旋翼無人機的軌跡跟蹤控制問題,考慮到四旋翼無人機內(nèi)外環(huán)對控制需求的不同,分別對內(nèi)環(huán)設計了有限時間終端滑模控制器,對外環(huán)設計了PID控制器。考慮到線速度不可測,設計了有限時間觀測器對速度信息進行估計,并設計了微分跟蹤器對期望信號進行過渡。在此基礎上,對內(nèi)環(huán)的終端滑�？刂破鬟M行了改進,用多冪次趨近律替代傳統(tǒng)的指數(shù)趨近律,加快了系統(tǒng)狀態(tài)的收斂速度;對外環(huán)控制器采用非線性組合的方式,加快了位置跟蹤誤差的收斂;為了補償干擾對控制器的影響,設計了擴張狀態(tài)觀測器,對外部干擾及模型不確定性進行估計并進行補償,以保證系統(tǒng)的魯棒性。針對四旋翼無人機軌跡跟蹤誤差約束問題,位置跟蹤誤差在某些情況下需要約束在特定范圍內(nèi)以保證飛行的安全性,設計了兩種控制策略。首先基于障礙Lyapunov函數(shù),并結合反步法對位置環(huán)控制器進行設計,利用障礙Lyapunov函數(shù)在靠近邊界時趨向于無窮大的特點,對四旋翼無人機的位置誤差進行了約束;進一步地,考慮到邊界可能隨位置的不同而變化,基于預設性能方法設計了位置控制器,利用已知函數(shù)對約束界進行描述,使跟蹤誤差滿足預先設定的條件。針對四旋翼無人機避障著陸控制問題,考慮障礙物信息已知的情況,基于人工勢函數(shù)法設計了高斯勢函數(shù)避障控制器,利用高斯勢函數(shù)描述障礙物的排斥能力,保證四旋翼無人機能夠對障礙物采取規(guī)避行為。進一步地,考慮到高斯函數(shù)無法準確描述障礙物邊界信息,受障礙Lyapunov函數(shù)的啟發(fā),設計了障礙Lyapunov勢函數(shù)避障控制器,利用Lyapunov函數(shù)的邊界描述障礙物邊界,以保證四旋翼無人機不會與障礙物發(fā)生碰撞。論文中針對提出的所有控制器都設計了數(shù)值仿真實驗,檢驗其有效性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V249
【部分圖文】：

在飛行過程中，四旋翼無人機還容易受到各種外界環(huán)境的干擾，如：氣流擾動、陀螺效應，地轉偏向力等，因此難以建立精確的動力學模型。其次，四旋翼無機具有六個狀態(tài)需要控制，卻只有四個旋翼的轉速輸入可供調(diào)節(jié)，是個典型的欠驅動模型，此外，四旋翼無人機還具有非線性、強耦合與對干擾敏感等特點[26][27更提高了飛行控制的難度。盡管困難重重，卻仍不能阻斷科研人員對四旋翼無機的熱情。就目前看來，四旋翼無人機的操作還是以遙控為主，自主飛行為輔但對四旋翼無人機的遙控而言[28]，需要遙控人員具有豐富的操作經(jīng)驗，并且要解掌握四旋翼無人機的結構及飛行原理，才能保證四旋翼無人機的飛行安全。即便具備了豐富經(jīng)驗的遙控人員，由于外界環(huán)境的干擾，也有可能發(fā)生無人機墜機甚至傷及人員的情況。而四旋翼無人機自主飛行主要利用控制算法，通過微處理器計算，同時辨識周圍環(huán)境，以產(chǎn)生安全有效的軌跡與飛行控制。由此可見，四旋翼無人機的自主飛行將成為未來飛行控制研究的方向[29]，為解決這一問題，多科研人員及工程師都已投入到對其研究的大潮當中，并取得了具有一定價值的研究結果[30]。

(c) 抗震救災 (d) 農(nóng)業(yè)植保圖 1-2 四旋翼無人機應用場景綜上所述，四旋翼無人機飛行控制研究具有很高的應用價值。目前在四旋翼無人機的應用中，跟蹤既定軌跡的任務占了很大一部分，如農(nóng)業(yè)巡察、警用巡邏等等，這些實際的項目都需要無人機對預先設定的軌跡具有較強的跟蹤能力。針對這一實際需求，本課題將其放在主要內(nèi)容的第一部分進行研究，通過對四旋翼無人機模型的處理，將其分為內(nèi)外環(huán)，并根據(jù)內(nèi)外環(huán)對性能不同的需求分別進行控制器設計，以達到有限時間跟蹤的目的�？紤]到四旋翼無人機在進行軌跡跟蹤時希望跟蹤誤差能夠約束在某一范圍內(nèi)的問題，本課題主要內(nèi)容的第二部分將針對四旋翼無人機對位置誤差約束的要求進行外環(huán)控制律設計，把四旋翼無人機對軌跡跟蹤的誤差約束在期望范圍內(nèi)。而在四旋翼無人機著陸飛行的過程中，考慮到著陸區(qū)域附近可能存在障礙物且希望無人機能以近乎懸停的方式降落，而利用遙控手段進行著陸需要經(jīng)驗豐富的操作人員，稍有不慎，四旋翼無人機就容易碰到障礙物而墜機，為了實現(xiàn)四旋翼無人機的著陸避障功能，本文將在最后一部分基于人工勢函數(shù)法設計避障控制律，確保無人機的安全著陸。

環(huán)控制器如下： 2 /2 , sgnp qi i iqG x x F x t D p 力學模型如下：13 3cos coszUz g D z U g Dm 道控制器如下 2 / 2 , sgnp qi iq g x x F x t D p 與分析的內(nèi)外環(huán)控制器以及有限時間觀測器能夠在有用 Simulink 對所設計的控制算法進行仿真。參數(shù)如下，其中設期望跟蹤位置 , , Td d dx y z
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 Khac Duc Do;;跟蹤誤差約束條件下不完全驅動船舶航跡跟蹤控制（英文）[J];Journal of Marine Science and Application;2015年04期

2 譚建豪;王耀南;王媛媛;張藝巍;王楚;陳謝沅澧;;旋翼飛行機器人研究進展[J];控制理論與應用;2015年10期

3 夏新豐;;淺談無人機在林業(yè)生產(chǎn)中的應用[J];林業(yè)科技情報;2015年02期

4 王偉;吳旻;王昱;;四旋翼無人機的室內(nèi)自主飛行控制[J];計算機仿真;2015年01期

5 吳春;齊蓉;陳曉雷;;基于障礙Lyapunov函數(shù)的輸出有界全局收斂魯棒控制[J];控制與決策;2015年03期

6 耿寶亮;胡云安;李靜;趙永濤;;控制增益為未知函數(shù)的不確定系統(tǒng)預設性能反演控制[J];自動化學報;2014年11期

7 楊立本;章衛(wèi)國;黃得剛;;基于ADRC姿態(tài)解耦的四旋翼飛行器魯棒軌跡跟蹤[J];北京航空航天大學學報;2015年06期

8 張鐳;李浩;;四旋翼飛行器模糊PID姿態(tài)控制[J];計算機仿真;2014年08期

9 陳志興;劉宇;宋娟;;電力巡線用四旋翼飛行器軟硬件設計[J];科技視界;2014年12期

10 陳彥民;何勇靈;孔令博;周岷峰;;四旋翼飛行器分散PID神經(jīng)元網(wǎng)絡控制[J];中國慣性技術學報;2014年02期

相關碩士學位論文 前3條

1 崔羊威;多旋翼無人機遙控系統(tǒng)的應用研究[D];華北水利水電大學;2017年

2 張婧;四旋翼無人機自主飛行控制系統(tǒng)設計與開發(fā)[D];海南大學;2015年

3 聶博文;微小型四旋翼無人直升機建模及控制方法研究[D];國防科學技術大學;2006年

本文編號：2885174