基于扰动抑制的无人飞行器控制技术研究

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1、申请上海交通大学硕士学位论文基于扰动抑制的无人飞行器控制技术研究学校：上海交通大学院系：电子信息与电气工程学院班级：B1203293学号：1120329075硕士生：黄廷国专业领域：控制科学与工程导师：苏剑波（教授）上海交通大学电子信息与电气工程学院2015年01月ADISSERTATIONPRESENTEDTOSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTSFORTHEMASTERDEGREERESEARCHONCONTROLTECHNOLO

2、GYOFUNMANNEDAERIALVEHICLEBASEDONDISTURBANCEREJECTIONAuthor:TingguoHuangSpecialty:ControlScienceandEngineeringAdvisor:Prof.JianboSuSchoolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaJanuary,2015上海交通大学硕士学位论文基于扰动抑制的无人飞行器控制技术研究摘要四旋翼无

3、人飞行器(QuadrotorUnmannedAerialVehicle,UAV)是一种性能可靠、结构简单的可垂直起降的无人飞行器，具有缓速飞行、悬停、控制灵活等固定翼飞机无法具备的优势，同时与传统的直升机相比，又兼具操控简单、稳定性好、制造要求低等特点。近年来，四旋翼无人飞行器以其自身优点和在无人侦察、重大赛事安防和交通管制等众多领域的广阔应用前景，逐渐成为控制领域的研究热点问题。由于大多数的四旋翼无人飞行器的控制输入少于其系统的自由度，其典型的欠驱动性是控制其达到期望性能的公认难点，另一方面四旋翼无人飞行器具有的多变量

4、、非线性以及系统存在模型不确定性等特性，也给其控制带来了很大的挑战。在大多数的实际控制系统中，外界扰动和系统模型的不确定性一直是影响系统性能的关键所在，在四旋翼无人飞行器系统中也不例外。因此，本文致力于研究存在外界扰动和模型不确定性的情况下的四旋翼无人飞行器的控制问题，针对四旋翼飞行器的姿态控制和轨迹跟踪控制问题设计系统控制器，并通过实验和仿真对本文提出的控制方法进行验证。本文的主要工作如下：1.四旋翼无人飞行器的姿态控制。首先对非线性姿态子系统建模，传统四旋翼无人飞行器的系统模型以欧拉角为参数描述飞行器的姿态，然而欧拉

5、角法涉及到超越方程的复杂计算并且存在奇异问题，其控制器的设计难度较大。针对此问题，本文基于飞行器的姿态动力学模型以四第I页上海交通大学硕士学位论文元数为姿态参数建立姿态子系统的误差模型，进而在此系统误差模型的基础上设计非线性广义预测控制律满足系统的控制性能要求并通过给出的非线性干扰观测器（NonlinearDisturbanceObserver,NDOB）保证系统的扰动抑制性能。2.四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪控制。由于位置子系统的控制实现依赖于姿态子系统的输出，本部分同样以四元数为姿态参数，以飞行器的运动学模型为基础，建

6、立位置子系统的模型，同时在考虑系统存在外界扰动的情况下，基于反步法（Backstepping）的思想设计系统的轨迹跟踪控制器，同时利用扩展状态观测器（ExtendedStateObserver，ESO）估计系统的外界扰动，并在输入端进行补偿以提高系统的控制精度。3.四旋翼无人飞行器控制方法的实验与仿真验证。首先搭建四旋翼无人飞行器系统的实验平台，其次通过实验与仿真效果验证姿态控制方法的有效性，并且通过仿真结果验证轨迹跟踪控制策略的有效性。关键词：四旋翼无人飞行器，姿态控制，广义预测控制，非线性干扰观测器，轨迹跟踪控制，反

7、步法，扩张状态观测器第II页上海交通大学硕士学位论文RESEARCHONCONTROLTECHNOLOGYOFUN-MANNEDAERIALVEHICLEBASEDONDISTURBANCEREJECTIONABSTRACTQuadrotorUAV,whichhastheabilityofverticallytakingoffandland-ing,isavehiclewithsimplestructureandofreliableperformance.Ithasad-vantagessuchashovering,fl

8、yingwithlowspeedandflexibilityofoperationwhichfixed-wingaerialvehiclesdon’thave.Comparingwithatraditionalhelicopter,ithascharacteristicsofeasyoperation,lowmanu