共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究

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1、共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究OntheAttitudeandTrajectoryTrackingControlforaCoaxialEight-RotorUnmannedAircraft作者姓名：彭程专业名称：控制理论与控制工程研究方向：复杂系统建模、优化与控制指导教师：田彦涛教授学位类别：博士培养单位：通信工程学院论文答辩日期：2015年05月24日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位盲审专家教授专家工作单位主席张德江研究员长春工业大学盲审专家教授专家工作单位委员于秀敏教授吉林大学石要武教授吉林大学陈万忠教授吉林大学续志军研究员中科院

2、长春光学精密续志军研究员中科院长春光学精密机械与物理研究所机械与物理研究所高慧斌研究员中科院长春光学精密石要武教授吉林大学机械与物理研究所前言本文主要针对一种新型共轴八旋翼无人飞行器的姿态与航迹跟踪控制、作为监视终端及自主飞行操作平台的地面控制站软件系统的设计相关问题进行了研究。设计开发一个高效、实用、可靠、对外界干扰具有较强鲁棒性、能够完全自主飞行的共轴八旋翼飞行器原型机奠定良好基础。本文依次对飞行器的动力学建模、飞行器自主控制体系结构设计、飞行姿态与航迹跟踪控制、偏航抗饱和控制以及地面站软件系统开发等问题进行了详细研究：(1)分析了共轴八旋翼无人飞行器的动力学特性，基于空间运动刚体的假设以

3、及牛顿-欧拉原理，建立了飞行器在空间绕质心转动与质心平动的动力学模型。采用分层递阶智能控制结构，构建了八旋翼无人机系统的自主控制体系结构，形成了模块化的开发过程，为共轴八旋翼无人机的自主控制指明了研究方向。(2)设计共轴八旋翼无人飞行器的姿态稳定控制器，保证飞行器的姿态角可以稳定的跟踪期望输入值，并且保证跟踪误差具有期望的收敛特性。针对飞行器模型参数不确定性以及外界存在干扰，设计了基于自适应径向基神经网络的反步滑模控制算法，有效地估计并补偿扰动对飞行系统的影响，通过数值仿真验证了姿态稳定控制算法的有效性与鲁棒性。(3)设计了共轴八旋翼无人飞行器的航迹跟踪控制器。根据共轴八旋翼飞行器的耦合特性，

4、设计了基于粒子群优化的自抗扰控制器与线性自抗扰控制器，通过仿真实验证明，在外部存在扰动情况下，两种航迹跟踪控制均具有良好的控制性能，然而基于线性自抗扰的航迹跟踪具有更快的响应速度，算法实现更简单，更适合于实际工程应用。(4)解决了共轴八旋翼无人飞行器偏航姿态易出现执行器饱和问题。偏航姿态上的运动能力以及抗扰动能力均比其他两个姿态（俯仰和滚转通道）弱，容易出现执行器饱和现象。首先，在线性自抗扰的偏航控制中设计了静态抗饱和补偿器，利用仿真实验证实了静态抗饱和补偿器弱化了饱和对偏航系统的影响，具有良好的偏航跟踪性能。接着针对实际工程中基于PID控制思想的八旋翼飞行器，提出了一种双闭环PD与变结构变参

5、数PI的偏航抗积分饱和算法，仿真实验与八旋翼原型机飞行实验均证明了该抗积分饱和算法的有效性，目前已在实际工程中得到了应用。(5)设计并开发一套功能完善的地面控制站软件系统。首先，基于地面站软件系统设计的工程需求，采用功能模块化思想构建了地面站软件的总体结构，详细介绍了软件系统的关键技术，实现了地面操作员对飞行器的实时监视与控制。通过大量飞行实验和作业证实该地面站软件系统是一个功能完善、操作方便、完成满足飞行任务需求的友好人机交互平台。I摘要共轴八旋翼无人飞行器姿态与航迹跟踪控制研究专业名称：控制理论与控制工程指导教师：田彦涛教授近十几年来，无人飞行器在军事与民用上发挥了重要作用，展现出广泛的应

6、用前景，相关研究工作正日益被科研人员所重视。特别是近些年来受到广泛关注的四旋翼无人飞行器，由于结构简单以及飞行方式灵活成为了无人机领域的一个研究热点。然而，四旋翼飞行器在结构上只有四个驱动单元，其机动能力受到一定的制约。由于其升力与重量的比值小，因此带载能力低，飞行时间短。同时四旋翼无人机没有配置足够的驱动机构冗余，可靠性不高。因此，在本文中提出了一种新型共轴八旋翼无人飞行器，共轴设计保证了该飞行器与四旋翼飞行器具有相同紧凑结构，且增加了四个执行单元，从而使得飞行器的驱动能力与带载能力明显增强，八旋翼系统的鲁棒性也有所提升，另外，共轴设计方案提供了一定的执行机构故障冗余能力，提高了飞行系统的可

7、靠性。本文以共轴八旋翼无人飞行器为研究对象，进行了八旋翼飞行器的姿态与航迹跟踪控制，以及地面控制站软件系统设计的相关工作，为达到自主飞行的最终目标奠定了良好的基础与保障。主要内容包括以下几个方面：对共轴八旋翼无人飞行器的动力学特性进行了研究。分析飞行器的动力学特性并建立动力学模型是进行飞行器姿态与航迹跟踪控制的基础。首先分析八旋翼飞行器的机械结构与飞行原理，通过合理的简化将飞行器视为具有空间六自由