面向运输的无人机跟踪鲁棒控制研究

作     者：吴颖 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢云

授予年度：2022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 自适应控制器 负载运输 抗扰动 

摘      要：旋翼无人机(UAVs)由于其简单的结构,强大的机动性,以及在商用和军事领域的巨大应用价值引起了研究者们的广泛兴趣。特别在过去的十年里,人们对在轻量级、短距离的空中运输技术的研究兴趣显著增加。轻量级、短距离的空中运输技术对快递配送,城际运输和紧急救援等都有重要意义。因此,作为结构最简单的无人机,悬挂负载的四旋翼无人机是在复杂或危险环境下进行物资转移和物资配送的重要运输工具。由于四旋翼运输系统是一个只有四个控制输入的八自由度系统,因此在负载等外部扰动下,很难实现四旋翼运输系统的快速稳定。本文针对负载质量未知的四旋翼悬挂负载系统,研究了四旋翼悬挂负载系统在面对未知负载和外部扰动的轨迹跟踪和摆动抑制性能。具体研究内容如下:1.基于旋转矩阵表示四旋翼坐标变化的方法,通过牛顿-欧拉法构建了四旋翼系统的运动学和动力学模型,并且基于拉格朗日方程建立四旋翼悬挂负载系统的动态模型,为系统的控制方法设计提供了模型基础;2.通过牛顿第二定律和向心力定律构建出系绳无人机的系绳拉力模型。针对系绳无人机的高速稳定飞行,本文设计了一种结合微分轨迹的控制方法。微分轨迹可以使空间中任一点的速度都向期望轨迹收敛,以提高四旋翼飞机在高速飞行中的鲁棒性。同时,设计了一个基于旋转矩阵的非线性控制器以避免欧拉角的奇异性。通过MATLAB进行数值仿真以验证所提出的控制方法的鲁棒性,通过对在不同扰动情况下进行仿真,可以看到对比PID控制器和几何跟踪控制器,基于微分轨迹的控制器的控制性能优于其他两个控制器,能使四旋翼在面对空气阻力扰动和质量变化时仍保持10.5m/s的速度稳定飞行;3.针对负载质量未知的四旋翼悬挂负载系统,本文设计了一个参数自适应控制算法可以实现系统稳定的轨迹跟踪和负载的摆动抑制。本文提出的基于旋转矩阵的非线性控制器能有效使姿态快速稳定。通过分析负载质量对轨迹跟踪控制的影响,提出了一个结合负载质量估计算法的参数自适应控制器用于位置控制。该控制方法可以在四旋翼飞机的推力范围内最大限度地提高承载能力。基于李雅普诺夫稳定性理论对系统的稳定性进行分析可得,四旋翼悬挂负载系统的姿态误差指数收敛并且整个系统能够保持稳定。对比仿真表明:1)该质量估计算法可以在空中准确估计出负载的质量;2)该控制器在质量估计、轨迹跟踪和抗干扰方面优于包含输入整形的滑模控制器,并且可以提高外部干扰下的负载能力。