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光学精密工程 2015年第4期23卷 1088-1095页

作者：赵常均白越宫勋彭程徐东甫续志军中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100039 吉林大学通信工程学院吉林长春130025

分析了气流扰动、翼间干扰等因素对飞行中的无人飞行器的控制精度和效果产生的影响,并给出了相应的解决方法。建立了Hex-Rotor飞行器的动力学模型,分析了升力因子不确定性导致飞行器控制效果下降的影响因素。设计了反演滑模控制器来控... 详细信息

分析了气流扰动、翼间干扰等因素对飞行中的无人飞行器的控制精度和效果产生的影响,并给出了相应的解决方法。建立了Hex-Rotor飞行器的动力学模型,分析了升力因子不确定性导致飞行器控制效果下降的影响因素。设计了反演滑模控制器来控制飞行器的空间六自由度运动,同时考虑升力因子的不确定性采用超螺旋非线性观测器观测各个旋翼的升力因子来克服气动干扰的影响。通过原型机验证了提出的方法,结果显示:Hex-Rotor飞行器在气动干扰较大的外部环境中飞行时,水平位移跟踪误差不超过±4.5m,高度误差不超过±2.5m,姿态角度误差保持在±2°内,较大地增强了飞行器的抗扰能力。结果表明:采用本文的方法可以有效地估计各个旋翼的升力因子,从而提高Hex-Rotor飞行器的控制精度和效果。

关键词：无人飞行器升力因子气动干扰反演滑模控制器超螺旋非线性观测器

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四旋翼无人机三维空间避障规划与抗扰轨迹跟踪研究

四旋翼无人机三维空间避障规划与抗扰轨迹跟踪研究

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作者：李海重庆大学

学位级别：硕士

四旋翼无人机因具有高机动性、结构轻便、低成本等优点,吸引了大批学者、科技公司、政府的关注,在许多研究人员、学者前赴后继的共同努力下,四旋翼无人机已经广泛的应用于电力巡检、农业植保、灾后救援、物流运输、娱乐航拍、军事侦察... 详细信息

四旋翼无人机因具有高机动性、结构轻便、低成本等优点,吸引了大批学者、科技公司、政府的关注,在许多研究人员、学者前赴后继的共同努力下,四旋翼无人机已经广泛的应用于电力巡检、农业植保、灾后救援、物流运输、娱乐航拍、军事侦察等领域。无人机的自主飞行能力是其能否进一步扩展应用领域的关键,而性能卓越的路径规划方案和精准的轨迹跟踪能力又是其核心所在。因此,针对这两个问题,本文主要开展以下研究:首先,构建了无人机系统的非线性模型。针对X型结构的四旋翼无人机分析了其飞行控制原理,并建立了机体坐标系和地球固连坐标系。通过Newton-Euler定律,推导了无人机的位置运动方程和姿态运动方程。为了解决了四旋翼的欠驱动问题,引入了虚拟控制量。其次,为了获得高效安全的前端路径,研究了基于图搜索的算法。首先引入了JPS算法并对其做了详细的分析。为了将其推广应用于三维空间环境,对JPS算法的剪枝、跳跃规则进行了修改。经过仿真对比分析,证明了所提算法的有效性。接着,为了平滑优化前端路径,研究了基于Minimum Snap的轨迹优化算法。路径规划算法所规划出的路径并不具备动力学特性,不能直接用于四旋翼无人机的实际飞行,需要做平滑优化处理。分析了无人机在轨迹输出空间所满足的微分平坦性质,并以此为基础在多项式轨迹的优化中使用Minimum Snap算法对航迹片段添加约束保证飞行过程中位置、速度、加速度的连续性,再基于飞行走廊来保证安全性。通过二维空间和三维空间下的仿真验证了所设计方法良好的平滑优化性能。最后,引入了非线性扩张观测器,并以此为基础结合反演滑模控制设计了四旋翼无人机的轨迹跟踪控制器。四旋翼无人机系统被分为位置回路和姿态回路六个子系统。通过虚拟控制量反解俯仰、滚转通道的期望信号和实际控制量。为了让跟踪期望信号的过程更平稳,设计了跟踪微分器来平滑信号。实际情况中,无人机飞行时会受到内外扰动的影响,因此设计了非线性扩张状态观测器来补偿干扰,并通过李雅普诺夫方法证明了其稳定性。为了提升系统的鲁棒性和快速收敛能力,设计了反演滑模控制器。通过仿真分析,验证了所提方案的有效性。

关键词：四旋翼无人机 JPS算法 Minimum Snap算法非线性扩张状态观测器反演滑模控制器

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