基于超螺旋算法的四旋翼无人机轨迹跟踪控制研究

作     者：杨洋 

作者单位：吉林化工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：苏伟

授予年度：2024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 轨迹控制 超螺旋滑模控制 高阶滑模观测器 自适应控制 

摘      要：随着全球科学技术的飞速发展,四旋翼无人机作为空中无人飞行器近些年来发展迅速,由于其高机动性和高隐蔽性的特点在军事、农业、勘探等领域中具有广泛的应用,因此四旋翼无人机各方面技术的发展都受到世界各国的关注。由于四旋翼无人机飞行环境的特殊性,其在飞行过程中存在阵风等不确定性扰动,这会影响无人机对期望轨迹的跟踪效果。因此,如何提高系统的抗干扰能力和跟踪精度成为四旋翼无人机在实际飞行中亟待解决的重要问题。本课题主要针对四旋翼无人机的轨迹跟踪控制策略展开相关研究,主要研究内容如下: 首先,分析四旋翼无人机的结构特点和飞行原理,构建机体坐标系和地球坐标系,分别用来描述无人机的位置和姿态,结合坐标系旋转的相关知识,建立两个坐标系之间的联系,然后对存在外界干扰的四旋翼无人机进行受力分析,通过牛顿欧拉方法推导出四旋翼无人机的六自由度数学模型。 其次,针对传统滑模控制策略在四旋翼控制中的抖振问题,提出一种超螺旋滑模控制策略,不仅实现了对期望轨迹的高精度跟踪,而且能够有效抑制控制器抖振,使控制器输出的抖振振幅平均削弱率高达91.0185%。为解决传感器在测量系统状态时,环境干扰导致测量不精确的问题,提出一种基于高阶滑模观测器的超螺旋滑模控制策略,利用三阶滑模观测器实时估计系统的状态,并对扰动进行补偿,以减小扰动对系统的影响。针对观测器的收敛速度问题,提出一种快速三阶滑模观测器,所设计的观测器对系统状态和未知干扰的估计更为准确和迅速,将观测器的平均收敛时间减小53.0999%。 最后,针对控制器参数的调整问题,提出一种自适应超螺旋滑模控制策略,自适应算法能够根据外界干扰的变化自动调整控制器参数。该策略不仅能够优化控制器参数调整问题,而且能够在保证轨迹跟踪控制效果的同时,通过实时变化的参数进一步削弱控制器的抖振。 综合上述控制策略,设计四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统,实现对期望轨迹的跟踪控制,并进行相应的仿真研究。通过最后的仿真结果可以看出,本课题设计的控制策略不仅有着较强的抗干扰能力,而且对期望轨迹的响应速度更快,精度更高。