小型四旋翼无人直升机姿态控制技术研究

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1、中图分类号：Ｖ２４９．１密级：公开ＵＤＣ：本校编号：續Ｗ《遺乂肇硕±学位论文论文题目：小型四旋翼无人直升机姿态控制技术研究研究生独名；王欢学号：０２１０４６９王思明学校指导教师姓名职称：教授：工学硕壬学位专业控制理论与控制工程申请学位等级：：２０１５２０１５．８，６，Ｕ论文答辩日期．６论文提交日期；；独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成，果，除Ｘ文中特别加臥标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研。究成果，也不

2、包含获得兰肿Ｉ巧通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。：学位论文作者签名：至＾签字日期如化年＾月／ｒ日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解兰州交通丈学有关保留、使用学位论文的规定。特授权兰州交通大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编供查阁和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名；导师签名；至５＾■签

3、字曰期：年＾月曰签字曰期年《月，／曰硕士学位论文小型四旋翼无人直升机姿态控制技术研究StudyonAttitudeControlTechniqueofSmall-saleQuadrotorUnmannedAirVehicle作者姓名：王欢学科、专业：控制理论与控制工程学号：0210469指导教师：王思明教授完成日期：2015年4月12日兰州交通大学LanzhouJiaotongUniversity兰州交通大学硕士学位论文摘要随着微机电系统的不断发展，使得小型四旋翼无人直升机的性能越来越强大，其应用的范围也越来越广，为人类带来的便利也越来越多。由于四旋翼无人直升机特

4、殊的耦合结构，使得飞行姿态能直接影响飞行的位置，因此，为研究出机动性能更佳的四旋翼无人直升机以满足多种行业的需要，越来越多的人开始将研究重点转向了小型四旋翼无人直升机的姿态控制。本文是从算法的角度对四旋翼无人直升机的飞行姿态进行研究的。文中将对小型四旋翼无人直升机模型的建立、先进姿态控制算法的设计等内容进行深入研究，特别是反步控制器、反步滑模控制器以及分数阶滑模控制器等先进控制器的设计及应用。最后采用软件仿真的方式对所设计的控制器的控制效果进行验证。其主要内容包括以下几个方面：介绍当前无人机的应用情况，尤其在军事方面的应用，并就四旋翼无人机的应用进行特别说明。再对四旋翼

5、无人直升机的姿态控制算法的研究现状进行说明。介绍常用的坐标系转换方法及姿态角表示方法，建立四旋翼无人直升机的数学模型。在忽略机体的陀螺效应的前提下，将已建立的模型进行适当简化。对分数阶理论进行分析，并与经典PID控制器的设计方法进行对比，设计分数阶PID控制器，对简化后的模型进行控制。该种控制器结合了分数阶理论的优点，性能应优于经典PID控制器。在考虑机体的陀螺效应的前提下，再考虑到四旋翼无人直升机的飞行环境，在已建立的数学模型中加入干扰项，并采用干扰观测器对加入的干扰进行补偿。然后采用先进的反步法设计反步控制器，对四旋翼无人机的飞行姿态进行控制；再采用鲁棒性强的滑模变

6、结构控制，与反步法相结合，设计反步滑模控制器。最后将分数阶理论与滑模变结构控制相结合，设计性能更佳的分数阶滑模控制器。通过对经典PID控制器、分数阶PID控制器、反步控制器、反步滑模控制器、分数阶滑模控制器的设计与仿真，将完成对小型四旋翼无人直升机姿态控制技术的研究工作。关键词：小型四旋翼无人直升机；陀螺效应；数学模型；控制器论文类型：应用基础研究-I-小型四旋翼无人直升机姿态控制技术研究AbstractWiththedevelopmentofMicro-electro-mechanicalSystem,theperformanceofsmall-scalequadro

7、torunmannedaerialvehicleisgettingstrongerandstrongeranditsapplicationscopeisbecomemoreandmorewidely,soitcanprovidemoreandmoreconvenientforhumanbeings.Becauseofthespecialcouplingstructureofunmannedaerialvehicle,theflightattitudecandirectlyaffectthepositionoftheflightpositi