基于LESO的无人机紧密编队自抗扰滑模控制研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于LESO的无人机紧密编队自抗扰滑模控制研究赵菁祥二○一八年五月分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111504118广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于LESO的无人机紧密编队自抗扰滑模控制研究赵菁祥指导教师姓名、职称：朱燕飞副教授专业或领域名称：控制科学与工程学生所属学院：自动化学院论文答辩日期：二〇一八年五月ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster(MasterofEngineeringScience)Resea

2、rchonActiveDisturbanceRejectionSlidingModeControlforUAVsCloseFormationBasedonLESOCandidate:ZhaoJingxiangSupervisor:ZhuYanfeiMay2018SchoolofAutomationGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要多无人机协同编队飞行的工作模式可以在一定程度上提高单架无人机执行任务的效率，在军事领域和民用领域具有广阔的应用价值。考虑到多无人机在紧密编队过程中不

3、可避免地会受到气动耦合与阵风等各类不确定干扰，若简单地采用线性化方法进行控制律设计显然是不合适的。对于具有非线性、欠驱动、强耦合特性的无人机紧密编队飞行系统，本文提出一种改进的自抗扰滑模控制算法。针对模型中存在的气动耦合等不确定干扰因素，设计相应的扩张状态观测器进行实时估计并在控制律中补偿；针对自抗扰控制器参数配置难度大和欠驱动系统的控制问题，基于滑模变结构控制理论设计复合编队控制器，这是本文的创新之处。最后通过Lyapunov函数证明跟踪误差一致收敛到零，并进行了MATLAB仿真分析。主要从以下几个方面进行深度研究：首先，基于通用的“长机-僚机”结构策略并正确建立坐标系，详细推导

4、出无人机机间相对运动学方程；采用马蹄涡模型简化编队队列中的涡流效应，基于Biot-Savart定律具体计算出各方向上气动力增量变化和稳定性导数，建立了完整的编队飞行系统空间模型，并进行了数值仿真，比较有无气动耦合两种情形下的飞行结果，得到一些有用的结论。其次，采用自抗扰控制算法(ADRC)改善无人机在遭遇内扰和外扰时，控制器参数整定不便、控制精度下降等问题。为了便于设计和理论分析，摒弃了非线性部分，明确了线性自抗扰控制器(LADRC)的工作原理及其不足之处，特别对线性扩张状态观测器(LESO)进行稳定性和收敛误差分析；再从频域角度入手，系统分析了LADRC对不确定扰动的抑制能力，探

5、讨了系统动态特性与带宽的关系，给出控制器参数的配置方法，增强了工程实用性。然后，分别对系统航向、速度和高度通道给出自抗扰控制律的设计步骤，完成队形变换与队形保持。通过仿真结果表明：相比较于传统PID控制，LADRC无需考虑被控对象的精确模型和各种外扰影响，可以对目标进行快速、准确地跟踪控制。然而，当指令过于复杂时，系统在初始时刻的性能不是特别令人满意，此类问题我们需要寻求更加简单高效的非线性控制律生成方式。最后，针对欠驱动系统的控制问题，提出一种基于LESO的滑模控制方法。设I广东工业大学硕士学位论文计了一种非线性光滑函数应用到滑模趋近律中，能够有效减小控制信号中的抖振。LESO负

6、责估计总扰动状态量，与滑模控制律融为一体，实现了具有完全自抗扰能力和无高频振荡现象的紧密编队飞行控制方法。分别设计多个测试用例进行仿真，结果表明该方法在参数整定、稳态响应及抗扰动方面的性能要优于LADRC，控制算法更加简单，能够在多机系统上有效实现自主编队飞行。关键词：无人机；紧密编队；自抗扰控制；扩张状态观测器；滑模控制IIABSTRACTABSTRACTCooperativeworkingmodeofmulti-unmannedaerialvehicles(UAVs)formationflightcanimproveefficiencyforsingleaircrafttoso

7、meextent,soithasbroadapplicationvalueinmilitaryandcivilfields.ConsideringthefactthatUAVisinevitablytosufferfromallkindsofuncertaindisturbancessuchasaerodynamiccouplingandwindduringtheflight,obviously,thetraditioncontrolmethodoflineariza