基于Backstepping方法的四旋翼无人飞行器控制器设计

论文摘要

作为一种微型无人飞行器,四旋翼无人飞行器有其独特的优势：机械结构简单,机动灵活性强,并且具备自主起飞和着陆能力,能以各种姿态飞行,包括悬停、横滚运动、俯仰运动以及偏航运动。正因为这些优势,四旋翼无人飞行器被广泛应用于军事与民用领域。四旋翼无人飞行器是一个多变量、非线性、强耦合、欠驱动的不确定性系统,飞行控制器设计较为困难。本文的主要任务是设计相应的控制算法以分别实现四旋翼无人飞行器的悬停控制、轨迹跟踪控制和轨迹跟踪自适应控制。本文采用双闭环控制结构,其中外环控制回路由水平位置控制器和高度控制器组成,内环控制回路由姿态控制器组成。首先采用基于Lyapunov稳定性原理的Backstepping方法,设计了悬停控制器,可以使四旋翼无人飞行器准确的到达目标位置,并在该位置保持悬停状态；然后,采用基于积分型的Backstepping方法,设计轨迹跟踪控制器,可以使四旋翼无人飞行器准确跟踪目标轨迹；最后,针对四旋翼飞行器具有不确定性的特点,采用Backstepping方法结合非线性自适应控制进行控制器设计,实现了四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪自适应控制,该控制器不仅可以实现精确控制,而且具有抗干扰和环境自适应能力,从而表现出良好的稳定性和很强的鲁棒性。为了验证所提出算法的正确性与有效性,本文利用Matlab/Simmlink工具,分别对三个算法进行仿真试验,并对这三种算法的仿真结果进行了详细的分析与比较。仿真结果表明,本文所提出的算法均能实现各自的控制目标,控制性能得到了保证,从而为四旋翼无人飞行器在实际工程中的应用提供了重要的理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 四旋翼无人飞行器的发展和研究现状
• 1.2.1 四旋翼无人飞行器的发展
• 1.2.2 四旋翼无人飞行器控制系统的研究现状
• 1.2.3 四旋翼无人飞行器控制方法的研究现状
• 1.3 本论文的研究内容和结构
• 第2章 四旋翼无人飞行器的建模及预备知识介绍
• 2.1 引言
• 2.2 四旋翼无人飞行器的飞行原理
• 2.3 四旋翼无人飞行器的建模
• 2.4 四旋翼无人飞行器数学模型的分析
• 2.5 基于Lyapunov稳定性定理的Backstepping方法介绍
• 2.5.1 Lyapunov稳定性分析
• 2.5.2 Backstepping方法及其稳定性证明
• 2.6 自适应控制介绍
• 2.6.1 自适应控制的基本思想
• 2.6.2 自适应控制的主要形式
• 第3章 四旋翼无人飞行器的悬停控制
• 3.1 引言
• 3.2 四旋翼无人飞行器的状态方程
• 3.3 本文采用的控制策略
• 3.4 四旋翼无人飞行器的悬停控制器设计
• 3.4.1 四旋翼无人飞行器的高度控制
• 3.4.2 四旋翼无人飞行器的水平位置控制
• 3.4.3 四旋翼无人飞行器的姿态控制
• 3.5 微分跟踪器
• 3.6 仿真分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪控制
• 4.1 引言
• 4.2 四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪控制器设计
• 4.2.1 高度控制
• 4.2.2 基于积分型的Backstepping水平位置控制
• 4.2.3 基于积分型的Backstepping姿态角控制
• 4.3 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪自适应控制
• 5.1 引言
• 5.2 四旋翼无人飞行器的质量自适应控制
• 5.3 四旋翼飞行器的扰动自适应控制
• 5.3.1 四旋翼飞行器的高度扰动自适应控制
• 5.3.2 四旋翼飞行器的水平位置扰动自适应控制
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 质量自适应仿真分析
• 5.4.2 扰动自适应仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢