基于魯棒補償的小型無人機飛行控制方法研究.pdf

1、隨著電子器件和傳感裝置的微型化、輕量化以及性能的不斷提高，各種類型的小型無人機在近年來得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應用。相對于中、大型無人機系統(tǒng)，小型無人機體積小、重量輕、成本低，具有起飛回收條件要求低、操作簡單、部署快速靈活以及可消耗等特點，各種小型旋翼無人機更是能夠進行垂直起降和懸停飛行，因此在軍事和民用領域有著極大的發(fā)展前景。然而，由于小型無人機氣動外形靈活多變且低速小尺寸飛行器的空氣動力學特性復雜，是一個欠驅動、強耦合、受低空氣流擾

2、動影響大的高階非線性系統(tǒng)，對其自主飛行控制的研究具有很高的挑戰(zhàn)性和重要的理論與現實意義。本論文針對小型無人機的自主飛行控制問題進行理論研究與實驗驗證，基于魯棒補償的思想分別對單架無人機線性控制器的改進、單架無人機非線性魯棒姿態(tài)控制問題、多架無人機非集中式二階一致性跟蹤問題以及多架無人機非集中式編隊飛行控制問題進行輸出反饋控制算法的設計與驗證，改善小型無人機的飛行控制性能，并降低控制器復雜度，主要研究內容可概括為：
　　由于經典的小

3、型無人機線性控制方法具有結構簡單、實現容易等優(yōu)點，成為目前使用最為普遍和成熟的控制方法。但線性控制方法也存在著性能不高、魯棒性和抗擾動能力有限等局限性。本文結合魯棒補償的思想以及非線性滑模觀測器技術，在小型無人機經典線性控制器的基礎上增加了對外界擾動和不確定性影響的補償項，提出了基于滑模觀測技術的小型旋翼無人機魯棒輸出反饋姿態(tài)控制方法，在一定程度上克服了線性控制器的局限性，提高了控制器性能。該方法以小型旋翼無人機的二階簡化模型為基礎，分

4、別設計了經典線性二次型調節(jié)器和一個輸出注入滑模觀測器。提出的滑模觀測器能夠通過位置測量信號估計得到各狀態(tài)的速度信號以及折算到控制器輸出端的外界擾動和不確定性作用量，其估計量逼近真實量的有限時間收斂性通過基于李雅普諾夫的方法進行了證明。由該方法得到的控制器一方面使用觀測器得到的補償量改善了控制性能，另一方面也利用觀測到的狀態(tài)信息實現了輸出反饋控制，減少了對無人機上安裝速度傳感器的需要，其有效性通過數值仿真的方式進行了驗證。
　　在線

5、性控制器的基礎上增加非線性魯棒補償器雖然能夠一定程度的提高控制性能，但由于線性控制器基于被控對象在設計平衡點處的線性化模型，在遠離平衡點的狀態(tài)下控制性能仍然有限。為進一步提高輸出反饋控制器的性能和穩(wěn)定性，本文基于新出現的魯棒誤差符號積分控制方法，提出了一種小型旋翼無人機非線性魯棒輸出反饋姿態(tài)控制方法。該方法以僅包含少量非線性特性的小型旋翼無人機二階簡化模型為基礎，首先設計了一個濾波輔助系統(tǒng)，根據李雅普諾夫穩(wěn)定性分析的結果設計濾波后的誤差

6、信號和控制器結構，并對新誤差信號的符號進行積分后得到不確定性與擾動補償器的表達式。通過基于李雅普諾夫的方法可證明得到的控制器能夠在使用輸出反饋的情況下，對任意有界且三階可微的參考信號實現半全局漸近跟蹤，其包含的魯棒補償項對外界擾動和不確定性的逼近能力也同樣得到了證明。為驗證該方法的有效性，本文將其應用到了一套三自由度直升機實驗平臺上，并對實驗數據進行了分析與比較。
　　本文提出的上述兩種方法均針對單架無人機的控制，取得了有益的結論

7、。隨著小型無人機成本的下降，使用多架無人機協(xié)同飛行由于具有更高的靈活性和冗余性，得到了越來越廣泛的應用，但現有的多無人機協(xié)同控制方法具有眾多的局限性。因此本文基于上述對單架小型無人機飛行控制的研究成果，結合目前在一致性問題研究方面的新進展，進一步提出了一種基于輸出反饋和魯棒補償的多無人機二階一致性跟蹤控制方法。該方法通過新設計的一致性控制器，將非集中式的一致性跟蹤問題轉化為了僅使用本地可獲取信息的各子系統(tǒng)的控制問題。隨后結合本文對單機控

8、制的研究成果，設計了各子系統(tǒng)的輸出反饋非線性魯棒控制器，并通過基于李雅普諾夫的方法證明了多機系統(tǒng)的二階一致性跟蹤能力。為驗證該方法的有效性，本文使用四臺三自由度直升機搭建了一套多機實驗驗證平臺，將該方法應用到了該平臺上，并對得到的實驗數據進行了分析與討論。
　　一致性問題作為一類多機協(xié)同控制問題的理論抽象，其重要應用之一即為多架無人機的編隊飛行控制。因此在本文的最后一部分，結合上述在多無人機非集中式二階一致性跟蹤問題的研究成果，提