四旋翼无人机的容错控制算法研究

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文四旋翼无人机的容错控制算法研究作者姓名：指导教师：申请学位级别：学科专业名称：论文提交日期：学位授予日期：评阅人：毕艳飞崔建江副教授东北大学信息科学与工程学院硕士学科类别：工学模式识别与智能系统2014年5月论文答辩日期：2014年6月2014年7月答辩委员会主席：吴成东王斐、韩晓微东北大学2014年6月万方数据AThesisinPatternRecognitionandInteHigentSystemAlgorithmofFaultTolerantControlforQuadrotorUAVByBiYanfeiSupervisor：Associat

2、eProfessorCuiJianjiangNortheasternUniversityJune2014万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部

3、或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年∥学位论文作者签名：咋牺弘签字日期：o。／六∥、2／严导师签名：签字日期：02。／妒、∥．2／严昧v甲∥●●●轹缈签如利。作：史期阮位学日吃镟万方数据东北大学硕士学位论文摘要四旋翼无人机的容错控制算法研究摘要四旋翼无人机以其简单的结构与低廉的制造成本，并且可以应用到各种复杂的环境中完成复杂的任务，在军事领域和民用领域均具有广泛的应用，如地面战场的侦察监视，环境监测，地质勘探等。所以，当前对于四旋翼无人机的研究越来越多。在设计控制系统的过程中，必须要考虑到系统的容错能力，这可

4、以保证系统在运行过程中的稳定性。本文的主要目的是设计被动容错控制系统，使得四旋翼无人机系统在执行器发生部分故障损失时，也能够保证系统的稳定性。主要研究内容与工作可概括如下：(1)四旋翼无人机的飞行原理的描述，从整体上对系统进行分析，利用牛顿运动定律和欧拉动力学方程推导出了四旋翼无人机的数学模型，得到了空间位置方程和三个姿态角的方程。(2)对带有系统不确定性的系统进行研究。首先，将推导出来的数学模型进行简化，得到线性化的模型。其次，根据Lyapunov的方法设计出了高度控制律和三个欧拉角度的控制律，并且在Simulink环境下构建出了高度控制器模型与三个欧拉角度控制器模型。最后，对控

5、制器的增益进行调节，分别对正常系统和不确定性系统进行仿真实验。I，。根据得到的实验数据以及数据分析结果得到一组控制效果最好的控制器增益，使得不确定性系统也能够保证系统的稳定性。(3)设计了基于Lyapunov稳定性的四旋翼无人机的被动容错控制系统，并且构建出了基于Simulink的被动容错控制系统的模型。通过选取矩阵或只-1相乘的这种形式，用来表示执行器发生各种故障的情况。然后设计了故障处理环节对故障进行处理，使得系统能够稳定的运行。最后，通过对设计的被动容错控制系统进行仿真实验，对它的稳定性进行验证，实验结果表明了该控制系统的可行性并且能够保证系统的稳定性。(4)半实物仿真实验，

6、将设计的基于Lyapunov的高度控制器进行半实物仿真实验，仿真平台是加拿大Quanser公司研制的Qball-X4实验平台。对实验结果和实验数据进行分析，验证了基于Lyapunov的高度控制方法能够使得Qball-X4控制系统具有一定的容错控制能力，并且能够保证一定的系统稳定性。关键词：四旋翼无人机；Lyapunov；被动容错控制；一II—万方数据东北大学硕士学位论文摘要一IⅡ一万方数据东北大学硕士学位论文AbstractAlgorithmofFaultTolerantControlforQuadrotorUAVAbstractQuadrotorUAVhassimplestruc

7、tureandlowmanufacturingcosts，andCanbeappliedtoavarietyofcomplexenvironmentstocompletecomplextasksinthefieldofmilitaryandcivilianareas，suchasgroundbattlefieldreconnaissanceandsurveillance，environmentalmonitoring，geologicalexploration．The