微小型四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制器设计

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文微小型四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制器设计作者姓名：徐乐风指导教师：杨光红教授马宏军副教授东北大学信息科学与工程学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：控制理论与控制工程论文提交日期：2014年6月论文答辩日期：2014年6月学位授予日期：2014年7月答辩委员会主席：王明顺评阅人：董久祥、黄胜娟东北大学2014年6月万方数据AThesisinControlTheoryandControlEngineeringTrajectoryTrackingControllerDesignforMicro-·quadrotorAerialVehicleByX

2、uLefengSupervisor：ProfessorYangGuanghongAssociateProfessorMaHongjunNortheasternUniversityJune2014万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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：粮乐兕日期：≥p／比6，≯6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

3、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学位论文作者签名：琢1j：：1昆两年囤导师签名：彘麦一签字同期：7L7心6．)6签字日期加f啦6．≥6万方数据东北大学硕士学位论文摘要微小型四旋翼飞行器轨迹跟踪控制器设计摘要作为微小型无人飞行器，四旋翼无人飞行器具有独特的优势：机动灵活性强，机械结构简单，并且具备垂直起降能力，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。正因这些优势

4、，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非线性、多变量、强耦合、欠驱动的不确定性系统，飞行控制器的设计比较困难。本文的任务是设计相应的控制算法以实现四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪控制。本文主要针对存在可由线性中性稳定微分方程描述的外系统情况，采用内模原理设计产生期望稳态响应的前馈控制项和基于Lyapunov稳定性原理的Backstepping方法设计镇定控制项，实现在被控对象存在外界干扰、不确定性以及参考轨迹非确切已知情况下的轨迹跟踪控制。首先，根据四旋翼飞行器的欠驱动性、不确定性，在研究Backstepping方法的基础上，利用联合Lyapunov再设计的B

5、ackstepping方法，得到在参考轨迹己知时的飞行控制器，达到了稳定、快速、准确跟踪参考轨迹的目的：然后，针对存在可由己知频率线性中性稳定微分方程描述的外系统情况，运用外系统结构信息来构造内模方程，利用反馈误差信息修正内模，使其逼近满足控制目标的真实值，再利用Backstepping方法对系统进行镇定设计，得到在参考轨迹和扰动未知但己知同属于一个信号集情况下的抗干扰轨迹跟踪控制器，对外系统幅值、相位的扰动具有很强的鲁棒性。然后，针对由未知频率线性中性稳定微分方程描述的外系统情况，采用Backstepping方法并结合自适应内模法进行控制器设计，解决了内模设计需要已知外系统频率信息

6、的局限，得到对外系统幅值、相位、频率扰动均具有鲁棒性的抗干扰轨迹跟踪控制器。为了验证所使用算法的证确性和有效性，本文利用Matlab／Simulink工具，分别对三个算法进行仿真验证，并对三种算法的仿真结果进行详细分析与比较。仿真结果表明，本文的算法均能实现各自的控制目标，控制性能得到了保证，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。关键词：四旋翼；反步法：内模；自适应：轨迹跟踪万方数据东北大学硕士学位论文AbsWactm。m1’lralectorv1racl!(1nRControllerDesignforMicro-·quadrotorAerialVehicleAb

7、s仃actAsakindofMicroUAV(UnmannedAerialVehicle)，quadrotorUAVhasspecialsuperiorities：simplemechanicalstructureandstrongmaneuverabilitywhichmakethequadrotoreasytoachieveVTOL(VerticalTake—offandLanding)，hoveratstaticstateandexecuteacro