四旋翼飞行器飞行控制技术研究

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1、中图分类号：V249论文编号：102870318-SX211学科分类号：081105硕士学位论文四旋翼飞行器飞行控制技术研究研究生姓名堵湘君学科、专业导航、制导与控制研究方向先进飞行控制技术指导教师曹东副研究员南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonFlightControlTechnologyofQuad-RotorAircr

2、aftAThesisinNavigationGuidanceandControlbyDuXiangjunAdvisedbyCaoDongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch，2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用

3、过的材料。本人授权南京航空航天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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要四旋翼飞行器凭借简单的结构、独特的飞行方式以及广阔的应用前景成为现今研究和应用的热点之一，然而由于其强耦合、非线性和对外界干扰敏感等复杂特性，使得系统的控制设计具有很大的难度。本文以四旋翼飞行器为研究对象，在建立飞行器模型的基础上，设计自适应能力强和鲁棒性好的飞行控制器以保证飞行品质和实现安全可靠飞行。首先，详细

4、描述了四旋翼飞行器的飞行原理，利用动量定理和叶素理论分析了旋翼基本动力学，结合飞行器的受力情况，采用欧拉角表示法建立了非线性数学模型并分析了其特性。其次，在分析控制系统总体框架和明确内、外回路控制器功能的基础上，针对四旋翼飞行器易受外部扰动和模型不确定等问题，设计了一种基于鲁棒伺服线性二次型控制和鲁棒模型参考自适应控制相结合的姿态内回路控制器，有机融合了两种控制方式的优点，增强了系统的鲁棒性，实现了飞行姿态的高效精确控制。然后，为满足飞行器定点悬停和轨迹飞行的需求，设计了基于经典控制理论的速度和位置控制器，根据飞行器的多种飞行任务，制订

5、了相应的制导指令和控制策略，实现了飞行器的指令飞行和自主飞行功能。最后，搭建了Matlab/Simulink下的数值仿真环境，完成了四旋翼飞行器的飞行仿真。仿真结果验证了飞行控制律的鲁棒性和制导指令的合理性，表明在外界干扰和参数摄动的不利影响下，控制器仍然能够有效稳定地跟踪指令且满足控制要求。关键词：四旋翼飞行器，数学建模，鲁棒伺服控制，鲁棒模型参考自适应控制，数值仿真i四旋翼飞行器飞行控制技术研究ABSTRACTQuadrotoraircrafthasbecomeoneofthehottopicsinresearchfieldsdue

6、toitssimplestructure,uniqueflyingwayandbroadapplicationprospectsinmilitaryandcivilaspects.However,itspropertiesofstrongcoupling,nonlinearityandsensitivitytoexternalinterferencemakeitmoredifficulttodesignthesystemcontroller.Accordingly,inthisthesis,thedynamicmodelofthequa

7、drotoraircraftissetup,andtheflightcontrollerwithstrongadaptiveabilityandgoodrobustnessisdesignedtoensureflightqualityandachievereliableflight.Firstly,basedonthedetaileddescriptionoftheflightprincipleofthequadrotoraircraft,thefundamentaldynamicsoftherotorisanalyzedbyusing

8、themomentumtheoremandbladeelementtheory.Combinedwiththeforceanalysisoftheaircraft,thenonlinearmathemati