倾转三旋翼飞行器动态特性分析与非线性控制研究

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1、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目（资助号：14JCZDJC31900）天津市科技支撑计划重点项目（资助号：15ZCZDGX00810）倾转三旋翼飞行器动态特性分析与非线性控制研究DynamicAnalysisandNonlinearControlDesignfortheTiltTri-rotorUnmannedAerialVehicle一级学科：控制科学与工程学科专业：控制理论与控制工程作者姓名：金鑫指导教师：鲜斌教授天津大学电气自动化与信息工程学院二〇一七年十一月十二日摘要近年来，随着各类技术的不断进步，各类旋翼无人机得到了较快的发展。其中倾转式三

2、旋翼无人机结合了多旋翼无人机与倾转式旋翼机的优势，同时也存在欠驱动、非线性、静不稳定等特性。因此，关于这类无人机的研究，受到了相关科研机构的重视。本文主要研究了倾转式三旋翼无人机数学模型分析及控制律设计问题，分别设计了针对倾转式三旋翼无人机姿态及高度的非线性自适应控制器以及针对倾转式三旋翼无人机的位置非线性控制器，进行了相应的稳定性分析，并通过半实物仿真平台验证了所设计控制律的有效性与鲁棒性。本文研究内容主要包括以下三方面:一、针对倾转式三旋翼无人机较为特殊的动力学特性，分别对该类无人机位置子系统及姿态子系统的运动学及动力学模型进行了较为详细的分析。二、倾转

3、式三旋翼无人机实际飞行过程中旋翼升力系数及反扭矩系数测量难度较大，此外，无人机易受到外界未知扰动的影响，为补偿动力学模型中参数不确定性及外界扰动，本文设计了一类非线性自适应鲁棒控制策略实现对无人机姿态和高度的控制。同时基于李雅普诺夫(Lyapunov)分析方法证明了无人机闭环动力学系统的渐近稳定性，并通过半实物在环仿真平台完成了镇定及抗扰动飞行实验，验证了所设计控制器的有效性与鲁棒性。三、为解决倾转式三旋翼无人机位置控制策略设计问题，本文优化了该无人机的位置动力学模型。将尾舵倾转时在横向通道产生的不利影响作为有界扰动，采用位置-姿态环双环控制设计方案，针对无

4、人机位置与姿态分别设计了非线性扰动观测器与非线性鲁棒控制律，且完成了对双闭环系统的稳定性分析。并利用半实物仿真平台完成了倾转式三旋翼无人机圆形与矩形轨迹跟踪，实验结果表明，该控制方案具有良好的跟踪控制效果。关䭞䇽：倾转式三旋翼；无人机；自适应控制；鲁棒控制；非线性控制IABSTRACTInrecentyears,withtheimprovementofvarioustechnologies,differenttypesofrotorUnmannedAerialVehicles(UAVs)havebeenrapiddeveloped.Thetilttri-ro

5、torUAVisaspecialconfigurationwiththeadvantagessuchasverticaltake-offandlanding.MeanwhilethistypeofUAVisanunderactuatednonlinearsystemwhichattractsgreatattentionfromreserachersinrecentyears.Thisthesisfocusesonthedyanmicpropertiesanalysisandnonlinearcontroldevelopmentforthetitltri-ro

6、torUAV,whichcontainsthenonlinearcontrollersaimingattheattitudeheightcontrolandthepositioncontrolrespectively.TheLyapunovbasedstabilityanalysisisemployedtoprovethestabiiltyoftheclosed-loopsystem.Real-timeexperimentalresultsperformedonahardware-in-looptestbedareutilizedvalidatetheper

7、formanceoftheproposeddesign.Themaincontentsofthisthesisincludesthefollowingthreeaspects:1.Duetothespecialdynamicspropertiesofthetilttri-rotorUAV,thekinematicsmodelanddynamicsmodeloftheUAV’spositionloopandattitudeloopareanalyzedrespectively.2.Itisdifficulttomeasureaccuratevaluesofth

8、eliftcoefficientandanti-to