两轴倾转旋翼无人机的控制方法研究

作     者：南海骄 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张镭

授予年度：2023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：两轴倾转旋翼无人机 动力学建模 非奇异快速终端滑模控制 姿态控制 

摘      要：随着技术发展和成本降低,小型化无人机逐渐服务于越来越多的行业中。无人机技术在工业4.0进程中将发挥巨大的作用,而愈加复杂的工作环境和任务要求对无人机的外形结构和运动性能提出了新的挑战。两轴倾转旋翼无人机作为一种新型旋翼无人机,通过改变两个旋翼的转速和倾转角度可以实现控制飞行姿态的目的。这种机型不但具备旋翼无人机垂直起降的能力,同时相对于多旋翼无人机拥有尺寸小、转向灵活以及飞行效率高的优势。另外,两轴倾转旋翼无人机作为一个非线性、强耦合的多输入多输出系统,对外界干扰非常敏感,因此研究其可靠的控制系统具有重要的理论意义。本文将两轴倾转旋翼无人机作为研究对象,主要完成了以下工作:首先,通过分析两轴倾转旋翼无人机的结构特点确定了飞行运动机理,然后建立坐标系变换关系用于描述无人机的位置和姿态信息。在此基础上,根据Newton-Euler方程建立两轴倾转旋翼无人机的动力学模型表达式。根据运动机理设计了两轴倾转旋翼无人机的控制系统结构并使用PID控制方法验证了模型的有效性和控制系统的可行性。然后,为了提高两轴倾转旋翼无人机的抗干扰性能,设计了双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模控制器对两轴倾转旋翼无人机进行姿态跟踪。双幂次趋近律保证了系统状态能够在全局范围内快速收敛至滑模面上,而非奇异快速终端滑模控制能够使系统状态在有限时间内从滑模面上收敛至平衡点。将非奇异快速终端滑模控制与传统滑模控制以及PID控制进行仿真对比,结果表明了非奇异快速终端滑模控制在模型存在参数不确定性时具有良好的鲁棒性。另外,在相同外部扰动下,非奇异快速终端滑模控制表现出更高的跟踪精度。最后,搭建了两轴倾转旋翼无人机的软硬件系统。硬件部分包括两轴倾转旋翼无人机的外形结构设计、模块选型以及试验机组装。软件部分是基于Free RTOS实现的,包括任务逻辑设计、输入信号读取、传感器数据读取与处理、姿态解算以及控制算法实现等。通过仿真验证了在姿态解算环节中Mahony算法比一般互补滤波算法效果更好。最终在搭建的试验机上进行了姿态跟踪实验和飞行实验,验证了提出的控制策略的有效性。