【摘要】：由于四旋翼飛行器本身是典型的欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合、時(shí)變、有操作滯后的非線性系統(tǒng),開發(fā)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在實(shí)際飛行試驗(yàn)中,四個(gè)執(zhí)行器部分失效最為頻繁。為了使四旋翼飛行器在有擾動和發(fā)生故障時(shí)能穩(wěn)定飛行,本文設(shè)計(jì)了一種魯棒與容錯(cuò)飛行控制系統(tǒng)。首先總結(jié)了四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景。接著分析了四旋翼飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)和飛行原理,采用牛頓-歐拉方程的方法建立四旋翼飛行器的全狀態(tài)非線性數(shù)學(xué)模型,主要包括飛行器的姿態(tài)模型、水平位置模型和高度模型。然后再用小擾動線性化方法,將四旋翼飛行器非線性模型解耦成三個(gè)線性子模型,為后面的控制器設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。同時(shí),分析并建立了四旋翼飛行器的執(zhí)行器故障模型。針對四旋翼飛行器在實(shí)際飛行過程中會有噪聲干擾和參數(shù)不確定性的情況,采用了模型預(yù)測控制的算法設(shè)計(jì)四旋翼飛行器的魯棒控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的預(yù)測控制需要在線優(yōu)化,因此需要較大的計(jì)算量,于是引入的顯式預(yù)測控制(EMPC)算法將在線優(yōu)化問題離線化,在線控制時(shí)只需要查找相應(yīng)的控制區(qū)域,通過簡單地計(jì)算就可以得到控制量,因此,該算法非常適合在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。在第二章建立的三個(gè)線性模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制器,水平位置控制器和高度控制器,并在仿真平臺上對所設(shè)計(jì)的三個(gè)控制器進(jìn)行和傳統(tǒng)PID對比的仿真實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明EMPC控制器針對噪聲干擾和模型參數(shù)不確定的情況有很好的魯棒性。為了保證四旋翼飛行器在實(shí)際飛行過程中發(fā)生執(zhí)行器故障時(shí)仍然能夠保持穩(wěn)定飛行,將第三章設(shè)計(jì)的魯棒控制系統(tǒng)與時(shí)延控制(TDC)相結(jié)合用于四旋翼飛行器的容錯(cuò)控制系統(tǒng)。利用時(shí)延算法通過一步狀態(tài)迭代消除故障對系統(tǒng)的影響。通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了控制器的性能,仿真結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在執(zhí)行器部分失效故障情況下的容錯(cuò)控制具有良好的控制性能。最后在有物理引擎的Gazebo環(huán)境下仿真實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步說明了算法的有效性和可行性。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V249.1
【圖文】：

固定翼飛行器示意圖和旋翼式飛行器示意圖

MIT搭載深度攝像頭的四旋翼飛行器

(a)大疆“御”Mavic2和(b)精靈4及地面站

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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6 趙t

本文編號：2779245