四旋翼飞行器自主控制研究

admin · 发表于 2024-2-7 17:21:45

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雅宝题库解析：
当前无人驾驶飞行器的设计目的主要是用来执行某些特定或受限的任务，自动控制技术是完成这些复杂任务的基础和关键因素之一。在飞行控制中存在诸多威胁，如反馈信号（姿态和角速率信号）的时间延迟、关键器件（传感器、执行机构等）的失效等，这些情况会导致飞行控制效果显著退化，甚至无法完成预期任务。上述威胁出现的原因可概括成以下几种情况：首先，大多数小型四旋翼飞行器的控制器都是利用近似线性化模型来设计的，这些方法不能准确描述飞行器真实的飞行动态过程，因此不能在存在时间延迟或传感器失效的情况下实现可靠的飞行控制；其次，以往文献中的非线性控制律设计过程没有考虑时间延迟和实际飞行过程中器件的性能下降。本论文涵盖了小型无人飞行器的研究历史、建模、仿真以及结果的测量与分析。主要内容为：介绍了有垂直起降的功能的四旋翼飞行器的建模、仿真以及控制。由于小型四旋翼无人机被看做是未来最重要的小型飞行器，本论文介绍了其详细的数学模型，并基于数学模型，利用线性和非线性控制技术，设计了不同类型的控制器并通过仿真验证了控制效果。动态模型和仿真过程都是从最基本的刚体运动方程出发的，仿真过程涵盖了从简单的悬停到复杂的非线性时变模型，同时考虑了真实的大气参数以及传感器与执行机构模型。传感器和执行机构模型包括了时间的延迟以及控制器件的性能下降。本文的创新之处在于以下三点。首先，在建模和仿真时，我们引入了几乎所有的可能的时间延迟与性能退化现象，飞行控制回路的模拟力求真实。第二，在控制器的设计过程中，我们并没有通过简单的线性化方法处理时变非线性的多入多出系统。第三，在调节不同的控制器参数时，我们使用了优化算法，从而得到了满意的系统性能参数。本论文设计了六种控制器：第一种是使用基于反馈线性化的Lyapunov方法，用于姿态的控制。第二种是基于PID控制技术的控制器设计。第三和第四种控制器设计基于反步法。第五种方法应用了滑模控制原理。第一、第二、第三种控制器用于遥控飞行，第四和第五种控制器通过反步法和滑模法实现了自主飞行控制。最后，通过仿真结果，得到一种集成的反步控制器，用于完全实现四旋翼飞行器的自主飞行控制。我们的集成反步控制器具有高的干扰抑制和噪声抑制效果。同时，在不同的飞行模拟环境和航路点跟踪测试方面，都得到了满意的控制效果。

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