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四旋翼飞行器自主飞行与轨迹跟踪控制系统的设计

时间:2019-10-28 20:41来源:毕业论文
在特殊的欧几里得群 SE(3)上全局定义四旋翼飞行器的运动,并在此基础上设计非线性输出反馈控制器来跟踪给定的姿态和位置命令,因此避免了由于引入欧拉角或者四元数所产生的奇异

摘要四旋翼无人机包含有两对反向旋转的电机和桨叶,已经在远程监控、传感器网络以及教学实验平台等领域被广泛应用。自主完成一定的飞行任务,位姿控制是一项重要的基础技术。本文是在特殊的欧几里得群 SE(3)上全局定义四旋翼飞行器的运动,并在此基础上设计非线性输出反馈控制器来跟踪给定的姿态和位置命令,因此避免了由于引入欧拉角或者四元数所产生的奇异性与冗余性。 当给定的姿态命令不固定时,姿态跟踪控制系统就需要惯性矩阵已知,由于很难测量出惯性矩阵的具体值, 因而设计了一个惯性矩阵更新率来逐步逼近真实值,以实现自适应控制。最后,通过 Backstepping方法设计了位置控制率使得系统闭环,实现完整的轨迹跟踪。41650
毕业论文关键词  四旋翼飞行器  位姿控制  非线性控制律   轨迹跟踪   
Title        Research of Autonomous Flight Control and      Trajectory Tracking System for a Quadrotor      
Abstract A  quadrotor  unmanned aerial vehicle(UAV) consists of two pairs of  counter-rotating rotors and propellers.it has been envisaged for various applications such as surveillance or sensor networks as well as for educational purposes. Position system is a basic technology to complete certain missions independently. The attitude dynamics and controllers designed in this paper are described on SO (3), which thus avoids complexities and ambiguities associated with other attitude representations such as Euler angles or quaternions and realize the maneuvering flight in the true sense. The attitude tracking control system requires the knowledge of inertia matrix when the given gesture command is not fixed. However, since it is difficult to measure the specific value of the inertia matrix, we develop an adaptive rate control rate to track the given gesture command. At last, a control law of position was developed to achieve a complete trajectory tracking by backstepping method.  源+自-六:维,论/文]网[www.lwfree.cn
Keywords    Quadrotor   Geometric  control   Nonlinear Control Law    Trajectory Tracking
目次
1引言1
1.1研究背景及意义1
1.2研究现状1
1.3本文研究工作和组织安排5
2四旋翼飞行器的非线性系统建模及动力学分析6
2.1四旋翼飞行器工作原理6
2.2旋转矩阵及SO(3)的定义及性质7
2.3动力学模型的几何描述9
3四旋翼飞行器轨迹跟踪控制系统设计11
3.1误差函数设计11
3.2参数确定下的姿态控制率设计12
3.3参数不确定的情况下的自适应姿态控制率设计15
3.4基于Backstepping方法的位姿控制器设计18
结论22
致谢23
参考文献24
附录matlab仿真程序26
1  引言
1.1  研究背景及意义 无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)[1],是指只依赖内置的控制系统自主飞行或远程遥控飞行来实现给定任务的飞行器,而不需要人员在机体内部进行操作。相较于普通飞行器,微型无人飞行器的机械结构简单,重量轻,隐蔽性能强,载重能力强,并且对各种严酷环境的有较强的适应能力,能完成多种飞行任务且可靠性强、在执行任务方面有较高的效率[2]-[4]。 本课题所研究的四旋翼飞行器是一种按十字交叉结构安装四个螺旋桨的无人机(UAV),在国外又被称作 X4-Flyer,Quadrotor,4 Rotors Helicopter,Four-rotor等等。 与固定翼飞机相比,旋翼飞行器可以进行自主悬停、定点巡航、垂直起降和室内飞行,意味着后者可以实现许多前者无法完成的任务。类似地,与一般意义上的直升机相比,四旋翼无人机又具有低制造精度要求、 机械结构和控制方法简单、高稳定性、 弱陀螺效应等优势。无人机是复杂的机电系统,它的运作综合了不同的前沿技术,例如空气动力学,航空电子学,嵌入式系统,自动控制和人工智能。这些年,大量增加的科学创新点和改进应用在了无人机的很多重要的扩展的方面,包括搜索和研究任务,野火监察,火山训练,核反应堆的监察,建筑视察,农业服务,制图与摄影,海上作业,灾情估计,边境封锁和执法。此外,与倒立摆、球杆等系统一样,无人机还是一个六自由度的二阶非完整约束飞行器,能够当作科学实验的新平台,来对新式控制算法及机器人领域开展相关实验。 由于四旋翼飞行器具有上述应用价值,许多国家花费大量资金来进行军事和民用领域的研究与应用。 为追赶发达国家的脚步,我国也在无人飞行器(UAV)的飞行控制系统领域投入重金来进行研究开发。近年来,尽管经过全世界学者的深入研究,无人机飞行控制技术已突飞猛进,但与人们的期望值相比,仍然存在着较大的差距。这也说明了 UAV 在技术方面上还存在着巨大的发展空间。随着硬件技术的不断进步,电子芯片的集成度不断提高,运行速度不断加快,UAV正在向着微型化、智能化、网络化等方向快速发展[5]-[8]。  四旋翼飞行器自主飞行与轨迹跟踪控制系统的设计:http://www.lwfree.cn/zidonghua/20191028/41769.html
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