基于分数阶滑模的四旋翼飞行器的控制器设计

作     者：崔若庚 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周宁;周振

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0811[工学-控制科学与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：四旋翼飞行器 滑模控制 分数阶 干扰观测器 吊挂系统 

摘      要：四旋翼飞行器因其具有的垂直起降能力和自主悬停特性,以及体积小巧、重量轻便、操控灵活等优点,在科学研究和生产生活等诸多领域得到了广泛关注。但是,四旋翼飞行器系统模型的复杂性及其对干扰的高度敏感性,使得其控制问题颇具挑战。因此,针对现代四旋翼飞行器在轨迹跟踪控制中面临的欠驱动特性、非线性耦合特性以及外部扰动等问题,本研究旨在利用分数阶微积分算子的特性,即对函数历史信息的记忆效应,将其融合到传统滑模控制理论中,并深入探讨由此发展出的分数阶滑模控制理论。本研究分别针对不同的应用场景,设计了多种分数阶滑模控制策略,旨在保证实现高精度控制、强化鲁棒性以及提升抗干扰能力的同时,又利用分数阶的特性解决滑模控制过程中的抖振等问题。同时,通过引入干扰观测器,抗摆控制器等控制方式,使四旋翼飞行器在各种复杂的实际应用环境下,依然能够出色的完成轨迹跟踪控制任务。本文的主要研究内容包括: (1)通过推演四旋翼飞行器系统建模时坐标系间的转换关系,建立依据牛顿-欧拉公式的小角度飞行下的动力学模型。在此系统模型的基础上,以理想环境为背景,在滑模控制的趋近律设计部分,为快速幂次趋近律引入分数阶微积分算子,并与积分滑模面相结合,设计出综合了强鲁棒性和调节灵活性等优点的分数阶积分滑模控制器,并将该方法与未引入分数阶微积分算子的滑模控制器相比较,以验证该方案的可行性与控制性能的优越性。 (2)为了削弱四旋翼飞行器在实际环境中飞行时受到外界扰动的影响,保证轨迹跟踪任务的顺利完成,通过引入有限时间干扰观测器,对外界扰动进行处理以保证飞行器飞行过程中能够将扰动所带来的影响进行补偿;同时将分数阶微积分算子引入到快速终端滑模控制中,通过对快速终端滑模进行的改进,提高了系统的收敛速度,实现了有限时间稳定,保证了控制系统的鲁棒性和高效性。最后通过不同场景下的仿真实验,验证了所提方法的可行性。 (3)考虑到四旋翼飞行器吊装的实际应用场景,为四旋翼飞行器吊挂系统设计了分数阶反步快速终端滑模控制器,并且考虑到吊挂系统在飞行过程中会产生摆动,设计了时滞反馈控制器来抑制摆动,保证了飞行器在执行负载任务时可以快速抑制摆动对飞行带来的影响,使负载任务能够顺利完成。通过多场景的仿真实验进一步说明了整体控制方案的有效性。