四旋翼无人机轨迹跟踪与避障控制研究

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1、硕士学位论文四旋翼无人机轨迹跟踪与避障控制研究TRAJECTORYTRACKINGANDOBSTACLEAVOIDANCEOFQUADROTOR韦意豪哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V249.1学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学硕士学位论文四旋翼无人机轨迹跟踪与避障控制研究硕士研究生：韦意豪导师：李传江教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V249.1U.D.C:629.78DissertationfortheMasterDegre

2、einEngineeringTRAJECTORYTRACKINGANDOBSTACLEAVOIDANCEOFQUADROTORCandidate：WeiYihaoSupervisor：Prof.LiChuanjiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstitut

3、eofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要四旋翼无人机由于其优秀的灵活性与机动能力，受到了众多研究人员的青睐。在许许多多工程师与学者的共同努力下，四旋翼无人机已经广泛应用于军事侦察、警用巡逻、农业考察、娱乐航拍与物流运货等众多领域。而由于四旋翼无人机具有欠驱动、强耦合、非线性等特点，使得其控制问题较为困难。在四旋翼无人机控制中，轨迹跟踪与避障着陆具有非常重要的实际意义，针对这两个方向，本文主要开展以下几个方面的研究：分析四旋翼无人机工作原理后，建立了无人机系统的数学模型。通过对数学模型的处理，建立了姿态环与位置环的联系，通过设置虚拟控制量解决了四旋翼欠驱动的

4、问题，为后面设计控制器打下了基础。针对四旋翼无人机的轨迹跟踪控制问题，考虑到四旋翼无人机内外环对控制需求的不同，分别对内环设计了有限时间终端滑模控制器，对外环设计了PID控制器。考虑到线速度不可测，设计了有限时间观测器对速度信息进行估计，并设计了微分跟踪器对期望信号进行过渡。在此基础上，对内环的终端滑模控制器进行了改进，用多幂次趋近律替代传统的指数趋近律，加快了系统状态的收敛速度；对外环控制器采用非线性组合的方式，加快了位置跟踪误差的收敛；为了补偿干扰对控制器的影响，设计了扩张状态观测器，对外部干扰及模型不确定性进行估计并进行补偿，以保证系统的鲁棒性。针对四旋翼无人机轨迹跟踪

5、误差约束问题，位置跟踪误差在某些情况下需要约束在特定范围内以保证飞行的安全性，设计了两种控制策略。首先基于障碍Lyapunov函数，并结合反步法对位置环控制器进行设计，利用障碍Lyapunov函数在靠近边界时趋向于无穷大的特点，对四旋翼无人机的位置误差进行了约束；进一步地，考虑到边界可能随位置的不同而变化，基于预设性能方法设计了位置控制器，利用已知函数对约束界进行描述，使跟踪误差满足预先设定的条件。针对四旋翼无人机避障着陆控制问题，考虑障碍物信息已知的情况，基于人工势函数法设计了高斯势函数避障控制器，利用高斯势函数描述障碍物的排斥能力，保证四旋翼无人机能够对障碍物采取规避行为

6、。进一步地，考虑到高斯函数无法准确描述障碍物边界信息，受障碍Lyapunov函数的启发，设计了障碍Lyapunov势函数避障控制器，利用Lyapunov函数的边界描述障碍物边界，以保证四旋翼无人机不会与障碍物发生碰撞。论文中针对提出的所有控制器都设计了数值仿真实验，检验其有效性。关键词：四旋翼无人机；有限时间；轨迹跟踪；误差约束；避障控制-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDuetoexcellentflexibilityandmaneuverability,thestudyofquadrotorhasbecomemoreandmorepopularamong

7、researchers.Withthejointeffortsofmanyengineersandscholars,thequadrotorUAVhasbeenwidelyusedinmanyfieldssuchasmilitaryreconnaissance,policepatrol,agriculturalinspection,entertainmentaerialphotography,andlogisticstransportation.Astheapplicationisgettingwide