四旋翼稳定控制算法及其一致性编队控制的研究

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1、四旋翼稳定控制算法及其一致性编队控制的研究王志鹏2015年1月中图分类号：TP114.2UDC分类号：621.3四旋翼稳定控制算法及其一致性编队控制的研究作者姓名王志鹏学院名称自动化学院指导教师伍清河教授答辩委员会主席任雪梅教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchontheStabilityControlAlgorithmandConsensusFormationControlofQuadrotorUAVCandidateName：ZhipengWangSchoolorDep

2、artment:SchoolofAutomationFacultyMentor:Prof.QingheWuChair,ThesisCommittee：Prof.XueMeiRenDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知

3、，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要近年来，对无人机，尤其是四旋翼无人机的研究开始受到人们的重视。由于其低廉的造价以及灵活的操作性，使得四旋翼无人机在军事及民事领域的应用更加广泛。本文根据对四旋翼无人机飞行原理及其动力特点的分析，利用牛顿——欧拉方程建立了四旋翼无人机的动力学方程组，提出了四旋

4、翼无人机的数学模型。与传统的基于姿态和位置回路的分离控制不同，本文依据四旋翼动力学系统特性，把系统分为全驱动子系统和欠驱动子系统。依据两个子系统的不同特点，分别提出了两种不同的控制器设计方案。首先，对全驱动子系统的动力学特点进行分析，为竖直方向以及偏航角的控制，设计了一种终端滑模控制器。通过理论证明、搭建仿真模型以及进行仿真实验进一步说明了控制方案的有效性。其次，对欠驱动子系统的动力学特点进行分析，为水平方向以及滚转角、俯仰角的控制，设计了一种基于干扰观测的滑模控制器。通过数学证明以及相关仿真实验说明了控制方案的有效性及控制器对干扰的抑制作用

5、。然后，把两种控制方案统一到整体四旋翼无人机系统控制中，通过调节相关参数，把两种方案联合成统一的控制器，对整个系统进行控制。最终的控制方案不仅有效实现了对系统预设轨迹的跟踪，而且有效的抑制了干扰，保证了四旋翼无人机的稳定飞行。最后，针对简化后的四旋翼控制系统模型，考虑在固定通信拓扑中的多四旋翼一致性编队的控制问题。根据简化后四旋翼系统的特点，分成四个子系统进行分别控制，设计了一种一致性的编队控制协议，通过理论证明以及仿真实验说明了设计的控制方案是有效的，可以使多四旋翼系统达到预定的编队目标。关键词：四旋翼；滑模控制；欠驱动系统；一致性；编队控

6、制I北京理工大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,theresearchtounmannedaerialvehicle(UAV),especiallytotheQuadrotorUAVhasgainedmorepopularityallovertheworld.Duetothelowcost,flexiblemovementandmanyotheradvantages,QuadrotorUAVhasbeenusedmoreandmorewidelyinthefieldofmilitaryandcivilian.Accor

7、dingtotheanalysisoftheQuadrotorUAVflight’sprincipleanddynamiccharacteristics,thisthesisestablishesQuadrotorUAV’skineticequationwithNewton-Eulermethod,andproposesQuadrotorUAV’smathematicalmodel.Differentfromthetraditionalmethodwhichseparatedthemodelintotwoparts-attitudeloopa

8、ndpositionloop,thisthesisseparatesthesystemintoafully-actuatedsubsystemandanunder-