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基于干扰观测器的四旋翼无人机滑模控制方法研究

基于干扰观测器的四旋翼无人机滑模控制方法研究

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作者：徐婷婷西安理工大学

学位级别：硕士

为保证四旋翼无人机在受干扰影响的复杂飞行环境中仍能保持稳定飞行,以及单机间协同完成多无人机编队任务,因此对单机位姿控制与中规模集群编队控制的研究很有必要。本课题针对干扰问题,采用指数收敛干扰观测器对扰动进行估计并补偿,结... 详细信息

为保证四旋翼无人机在受干扰影响的复杂飞行环境中仍能保持稳定飞行,以及单机间协同完成多无人机编队任务,因此对单机位姿控制与中规模集群编队控制的研究很有必要。本课题针对干扰问题,采用指数收敛干扰观测器对扰动进行估计并补偿,结合双幂次趋近律设计一种四旋翼无人机姿态控制器,对四旋翼无人机系统控制器的设计采用滑模控制及其改进方法。针对编队采用领导-跟随者编队控制策略,研究中规模集群编队结构同时进行仿真验证。主要研究内容如下:(1)考虑四旋翼无人机欠驱动、易受干扰等复杂非线性特性,针对姿态子系统的扰动问题和滑模控制不可避免的抖振缺陷,提出一种适用于有扰动姿态子系统的基于指数收敛干扰观测器的双幂次趋近率滑模控制器(Exponentially-convergent Disturbance Observer based Double-power-reaching-law Sliding Mode Controller,EDO-DSMC)。根据指数收敛干扰观测器对未知扰动的抗扰能力,将干扰估计值通过指数收敛干扰观测器求出,而后再由姿态滑模控制器进行干扰补偿,进而设计出一种基于指数收敛干扰观测器和双幂次趋近律的姿态子系统控制律。在位置子系统采用传统滑模控制设计位置控制器,然后通过对四旋翼无人机进行数值仿真可验证所设计控制器的抗干扰能力和稳定性,最后还设计编队控制器在一个领导者和两个跟随者的小型编队中验证编队控制器的有效性。(2)针对传统滑模在有限时间内无法达到平衡点,即不满足快速性问题,设计一种复合非奇异快速终端滑模控制器(Non-singular Fast Terminal Sliding Mode Controller,NFTSMC)。对四旋翼无人机采用双闭环控制结构,选择非奇异的快速终端滑模控制方法,在位置子系统设计非奇异快速终端滑模位置控制器。针对存在干扰的姿态子系统,将非奇异的快速终端滑模控制方法与EDO-DSMC一同联合,设计一种复合非奇异快速终端滑模姿态子系统控制器,再将所设计的控制器应用于四旋翼无人机,由仿真验证此控制器可提高单机控制的快速性和准确性。(3)针对增多编队中无人机数量令编队控制难度增加的问题,采用分层式树形结构研究中规模集群无人机编队控制的仿真实现。在编队中只选择一架处于较核心位置的无人机为总长机作为领导者,剩余的无人机为僚机进行跟踪,在领导-跟随者控制策略下设计编队控制器引导跟随者的运动。对集群编队中的所有无人机进行分层,每层之间都通过编队控制器连接。结合EDO-DSMC和复合NFTSMC在仿真中验证此树形结构的有效性及所设计控制器的适用性。

关键词：四旋翼无人机指数收敛干扰观测器双幂次趋近率滑模控制中规模集群

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