探析四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究

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1、中南大学硕士学位论文四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究姓名：刘丽丽申请学位级别：硕士专业：交通信息工程及控制指导教师：彭辉20090526摘要四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直起降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，具有重要的军用和民用价值。四旋翼飞行器同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性，对其建模和控制是当今控制领域的难点和热点话题。本文对小型四旋翼无人直升机的研究现状进行了细致、广泛的调研，综述了其主要分类、研究领域、关键技术和应用前景，然后针对本实验室的四旋翼仿真器

2、实际对象，对其建模方法和控制方案进行了初步的研究。首先，针对本实验室四旋翼飞行器的动力学特性，建立了四旋翼飞行器的物理模型，并基于此模型设计了系统的LQR控制器；根据系统状态方程，选取合适的加权系数矩阵后，建立系统的状态反馈矩阵，从而实现飞行器最优控制器的设计；通过仿真和实时控制验证了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了输入输出数据。然后，采用RBF．ARX模型理论对四旋翼飞行仿真器系统进行全局的建模。着重讨论了RBF．ARX模型结构的选取，模型参数辨识，RBF．ARX参数优化等问题。并将RBF．ARX模型与AR

3、X模型的预测输出结果相比较，证实了RBF．ARX模型在非线性系统建模中的优越性。最后，基于RBF．ARX模型，在每个工作点处将其转化为线性ARX模型，并设计了全局的LQR控制器，通过仿真实验实现了飞行器的姿态控制。从仿真结果看，基于RBF．ARX模型的LQR控制策略运行良好，能在限定范围内使飞行器达到各种姿态，并在较短时间内达到稳定。关键词四旋翼飞行器，非线性系统，系统建模，RBF．ARX模型，LQRABSTRACTQuadrotorisakindofsimplerotorcraftdrivedbyfourpropel

4、lers，whichcouldverticallytake—offandland．ThemodemquadrotorsaremostlyminimizedUnmannedAerialVehicle(UAV)forbothmilitaryandcivilianusages．Itisalsoatypicalcomplexcontrolsystemwiththefeatureofunderactuation，instability，multivariable，uncertainnonlinearityandstrongcou

5、pling．Modelingandcontroltoaquadrotorisahottopicinrecentcontrollingfield．Basedonasummaryoftheresearchstatusquo，thekeytechnologiesandthefutureapplicationsofthequadrotor，thispaperconcentratesonitsspecialcharacteristics．mainlyresearchedtheproblemsonmodelingandtheway

6、sofcontrolling．Someimportanttheoreticalanalysisandresearchresultsareasfollows：Firstly，thephysicalmodelofthefour-rotorflightsimulatorareestablishedbydynamicsequations．ThencomesthedesignofacontrollerbyLQRmethod．Accordingtothestateequation，selectingproperweightcoef

7、ficientmatrixes，thesystem’Sstatefeedbackisconstructed，withwhichthecontrolofthequadrotorisachieved．Thevalidityofthecontrollerisprovedbysimulationsandreal．timecontrollings，thentheinputandoutputdataofthesystemisgottenunderthiscontrolling．Secondly，theRBF-ARXmodeling

8、theoryasaglobalmodelisadoptedforthenonlinearityofquadrotor．Thestructure，theidentificationandparameteroptimizationbasedonRBF．ARXmodelarediscussedstrongly．Thepredictive