浅析一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计

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1、南京理工大学硕士学位论文一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计姓名：黄溪流申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：陈庆伟20100620硕士论文一种四旋翼无人直升机飞行控制器的设计摘要微小型四旋翼无人直升机是一种结构简单、飞行方式独特的垂直起降无人机。在很多领域都有着广阔的应用前景。本文以一种四旋翼无人直升机为研究对象，根据微型四旋翼直升机的动力学特性建立了数学模型，分别研究、设计了线性和非线性控制器，并通过仿真试验进行了验证。主要研究工作为：针对本文所使用的微型四旋翼直升机进行了建模研究，从动力学和运动学两个方面分析其特性，得到微型四旋

2、翼直升机的运动方程。分别利用小扰动方法和反馈线性化方法将非线性动力学模型线性化，针对姿态回路和位置回路设计了PID控制器，并通过仿真实验验证了所设计控制器的有效性。由于动态特性的影响，线性化控制器在实际运用中可能会引起平面内漂移等误差。为了对无人机进行高效、精确的控制，针对微小型四旋翼这个欠驱动系统，用基于反步法的滑模控制设计了欠驱动系统的非线性控制器。运用simulink搭建微小型四旋翼飞行器的仿真系统，仿真结果表明该控制器有效、可行。最后，针对系统实际应用情况，研究了具有外部扰动时的微型四旋翼直升机自适应控制。采用自适应方法对系统参数进行估计，

3、设计了基于反步法的滑模控制器。仿真结果表明所设计的控制器能够较好的实现定点悬停和轨迹跟踪，抗干扰能力强，具有一定的鲁棒性；进一步，深入分析了控制器参数对系统性能的影响，利用量子粒子群多目标优化算法对参数进行了优化设计，得出了满足要求的参数优化值。仿真实验验证了方法的有效性。关键词四旋翼直升机动力学模型小扰动法反步法滑模控制量子粒子群优化AbstractQuardrotorisasimple，uniquewayofflyingVTOLUAV．Ithasbroadapplicationsinmanyareas．Accordingtoonekindofq

4、uardrotor,thispaperconcentratesonitsspecl砒d【laracteristics．mainlyresearchedtheproblemsonmathematicalmodeling,linerandnonlinearcontrollerandflightcontrollinglawswhichareverifiedbysimulationtests·Firstofall，thedynamicsandkinematicsequationsoftheprototypequadrotorareestablishedby

5、mathematicalmodeling．Andthesystemequationsaretransformedtoaffinenonlinearform．Seconmy'theincreIIlentfunctionofsmallsignalperturbationisderivedwhichisre州edasthecontrolobject．Onthebaseofworkprincipleandlinearmodel，AttitudecontrollcrandpositioncontrDlleraredesignedusingtheclassic

6、almethodofPID．Themethodandapplicationofthecontrollerareproposedbysimulationtests．Thenthefeedbacklinearizationsvst锄withthePIDcontrolispresented．ThefeasibilityofcontrolmethodISverifiedbythedigitalsimulation．The凡becauseofthedynamiccharacteristics，linearcontrollersmayhavedrifterro

7、r．Inordcrtoefficiently,precisecontrol，Ipresentacontrollerwithslidingmodebasedonbacksteppingdesign．Simulationsshowthattheproposedcontrollerisvalidity．Finally,byconsideringthebasisoftheactualsituation，thesystemmustbeadaptiveafteraddingdisturballcestothesystem．Andsimulationshowth

8、atthedesignedcontrollerCallachievefixedhoveringandtrajectoryt