四旋翼无人机的容错控制方法研究

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1、国内图书分类号：TP273学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文四旋翼无人机的容错控制方法研究硕士研究生：张宇导师：沈毅教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP273U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONFAULT-TOLERANTCONTROLMETHODSFORQUADROTORUAVCandidate：Zha

2、ngYuSupervisor：Prof.ShenYiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要四旋翼无人机具有体积小、结构简单、重量轻、成本低、隐蔽性较好的特点，适应

3、于多平台、多空间环境。其飞行高度较低、机动性很好，可以在较小的平台上灵活起降，不需要弹射装置和发射架等辅助装置。基于它的诸多优点，在军事和民用领域都具有着十分广阔的应用前景。本文主要以四旋翼无人机为研究对象，建立了其数学模型、采用预测滤波方法进行故障估计，最后设计了自适应反步容错控制器。本文主要的研究内容如下：首先，为了进行飞行控制给出了惯性坐标系和本体坐标系的定义，并建立了四旋翼无人机的运动学方程；采用了牛顿-欧拉的方法得出四旋翼模型的刚体动力学方程；具体分析了作用在四旋翼无人机上的力和力矩；最终根据运动学和刚体动力学方程推导出四旋翼无人机

4、的数学模型完整表达式并得以简化。其次，根据四旋翼无人机的数学模型设计了位置控制器和姿态控制器，通过这两个控制器完成了对四旋翼无人机的基准控制；阐述非线性预测滤波的基本算法和一般步骤；使用非线性预测滤波的方法对四旋翼无人机的故障进行估计并设计了主动容错控制器。最后，介绍了在非线性系统应用广泛的反步控制方法的基本理论及算法，根据四旋翼无人机双回路的系统结构分别设计了位置和姿态的反步控制器，并以四旋翼无人机的悬停、跟踪两组控制仿真实验验证了所设计的基本反步控制器的有效性；以基本反步控制器为基准，增加了可估计故障程度的自适应律，设计了四旋翼无人机的自

5、适应反步容错控制器，并同样以悬停、跟踪两组仿真实验验证了自适应反步法的适应性及有效性。结果表明，本文采用的非线性预测滤波方法可以有效估计旋翼无人机的故障大小，自适应反步容错控制器也可以将对象控制到期望位置，完成指定任务。关键词：四旋翼无人机；故障诊断；容错控制；自适应；预测滤波-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractQuadrotorUAVisadaptedtothemulti-platform,multi-spaceenvironmentforitsfeatureofsmallsize,simplestructure,light

6、weight,lowcost,andgoodconcealment.UAVflyingatlowaltitudesanditsgoodmobilitycanmakeittakeoffandlandonasmallflexibleplatform,withoutejectionmechanism,launchersmechanismandotherauxiliaryequipment.Duetoitsmanyadvantages,bothinmilitaryandcivilianfieldsithasaverybroadapplicationp

7、rospects.Inthispaper,quadrotorUAVmodelisresearchedinthisdissertationanditsmathematicalmodelisestablished.Thenpredictionfilteringmethodisadoptedtoestimatefaultsandfinallyadaptivebacksteppingfault-tolerantcontrollerisdesigned.Themaincontentsareasfollows:First,thedefinitionsof

8、theinertialcoordinatesystemandthebodycoordinatesystemarecarriedoutforflightcontrol