基于滑模控制的四旋翼无人机研究

作     者：熊梓威 

作者单位：湖北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施阳;潘健

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：四旋翼无人机 滑模控制 抖振抑制 

摘      要：四旋翼无人机由四个螺旋桨旋转产生升力,可垂直起降、定点悬停、机动灵活、可控性强,其在军事侦察、灾害搜救、航拍摄影等领域都拥有较好的实用性和发展前景,具有重要的工程意义和研究价值。四旋翼无人机具有非线性、欠驱动、强耦合、对干扰敏感等特点,其数学模型的建立、控制器的设计成为研究的重点。本文对四旋翼无人机的发展现状及研究现状进行细致的分析,在总结前人工作的基础上,以本实验室的Qball-X4四旋翼无人机作为研究对象,进行建模和控制仿真研究。1.使用物理建模方法建立四旋翼无人机的数学模型。针对四旋翼无人机欠驱动、强耦合等特性导致数学模型难以获取的问题,本文首先分析了其机体结构特征和基本飞行方式,包括升降、悬停、滚转、俯仰和偏航运动。然后建立了地面坐标系和机体坐标系来研究运动状态在两种参考系下的变化。同时,将无人机视作刚体结构,从运动学和动力学两个角度对无人机运动进行了分析,建立其非线性数学模型。2.研究滑模控制思想和抖振抑制方法。由于滑模控制存在抖振问题,应用在四旋翼无人机等物理机械系统中存在难度,本文选择了弹簧质量阻尼系统作为控制对象,研究其基于滑模控制器的Matlab/Simulink仿真实验。然后,对滑模控制律采取近似处理手段,前后仿真结果对比表明,改进滑模控制律能够抑制抖振问题,并能适用于四旋翼无人机的控制器构建。3.构建四旋翼无人机滑模控制器。针对四旋翼无人机易受干扰影响的敏感特性,引入滑模控制算法来增强系统抗干扰能力,采用滑模控制律近似处理方法构建四旋翼无人机的滑模控制器,在Matlab/Simulink仿真中对系统响应速度、位置超调量、回调时间等结果进行了分析,结果验证了滑模控制器的有效性。4.在实验平台中测试Qball-X4四旋翼无人机的飞行。测试验证了无人机模型建立的正确性和轨迹跟踪的有效性。