四旋翼飞行器建模、控制与仿真

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四旋翼飞行器建模、控制与仿真

作者：杨庆华， 宋召青， 时磊， YANG Qing-hua， SONG Zhao-qing， SHI Lei

作者单位：杨庆华,YANG Qing-hua(海装驻西安地区军事代表局,西安,710054)， 宋召青,SONG Zhao-qing(海军航空工程学院,控制工程系,山东,烟台264001)， 时磊,SHI Lei(防空兵指挥学院

作战指挥系,郑州,450052)

刊名：

海军航空工程学院学报

英文刊名：JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL ENGINEERING INSTITUTE

年，卷(期)：2009，24(5)

被引用次数：0次

1.张天光.王秀萍.王丽霞捷联惯性导航技术 2007

2.钱杏芳.林瑞雄.赵亚男导弹飞行力学 2006

3.BOUABDELLAH S.SIEGWART R Backstepping and sliding mode techniques applied to an indoor micro quadrotor 2005

4.MOKHTARI A.BENALLEGUE A.BELAIDI A Polynomial linear quadratic Gaussian and sliding mode observer for a quadrotor unmanned aerial vehicle 2005(04)

5.BOUADI H.BOUCHOUCHA M.TADJINE M Sliding Mode Control based on Backstepping 2008(01)

6.BENCHAIB A.BOUDJEMA F.RACHID A Sliding mode flux observer based on backstepping approach for induction motor 1998

1.学位论文周权四旋翼飞行平台飞行控制和惯性导航研究2008

微小型四旋翼飞行器是一种外型新颖，可垂直起降，通过改变四个桨的转速来进行飞行控制的特殊无人机。但它是一个非线性、多变量、高度耦合的欠驱动（四个PWM输入，六个自由度）系统，在其飞行时，受到气流、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等的影响，因此，要想实现稳定控制是比较困难的。为了研究四旋翼飞行器的控制规律，本文构建了四旋翼飞行试验平台，就悬停和低速水平飞行状态下的飞行控制和惯性导航进行了探索性研究。

首先选择合适的材料与元器件，制作了一架四旋翼飞行平台，测试了关键部件的性能。分别采用合适的试验方案测试转子升力、转速与PWM信号之间的关系，并对单通道进行系留试验，取得了较好的结果。

本文利用四旋翼飞行平台动力学原理，建立了基于VC++语言仿真的动力学模型。对飞行平台的高度阶跃响应和水平位移阶跃响应进行了仿真。根据仿真结果，分析了四个PWM的变化与飞行平台加速度的变化。根据单通道的受力分析，建立了单通道复数域数学模型。通过SIMULINK仿真研究，得到了各控制参数对控制系统的影响。然后将欧拉法应用于惯性导航，并试验验证了欧拉法计算姿态。简单分析了GPS定位原理与GPS/INS组合导航的方法。
最后对四旋翼飞行平台进行多次飞行试验，根据试验结果，调整控制参数和改进飞行平台结构，最终取得了初步的飞行成功。

2.学位论文黄牧基于反步法的微型四旋翼无人飞行器非线性自适应控制研究2009

无人机通常指无人驾驶、可以自主飞行或遥控操作、利用空气动力承载飞行并可回收重复使用的飞行器，主要包括固定翼式和旋翼式两类。

固定翼无人飞行器的技术已经比较成熟，并在实际应用中取得重大成功；和固定翼飞行器相比较，旋翼无人飞行器具有很多优势：比如能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化：能以悬停、前飞、侧飞和倒飞等各种姿态飞行；但是旋翼无人飞行器因动力学特性远比固定翼飞行器复杂，发展就相对缓慢得多。近年来，旋翼无人机因其巨大的军用和民用价值，迅速成为控制领域内的研究热点。

四旋翼无人飞行器是一种常见的旋翼飞行器，其模型具有高度非线性、状态耦合、欠驱动等特点，飞行控制设计比较困难。本文的主要任务是在分析四旋翼无人飞行器动态特性的基础上，采用反步法结合非线性自适应控制进行控制器设计，使四旋翼飞行器保持稳定的飞行状态，并且位置输出和偏航角能够跟踪期望轨迹；主要内容如下：

第一，本文对四旋翼无人飞行器进行了建模；但是四旋翼无人飞行器动力学特性复杂，空气动力学系数容易变化，系统可能包含未知信息和噪声，所以其动力学模型中存在不确定性；这使控制器的设计变的更加困难。

第二，本文采用反步法和自适应控制设计控制器，使四旋翼飞行器系统保持了稳定。为了便于反步设计，本文把四旋翼模型划分为四个子系统；第一个是欠驱动子系统，表示系统关于水平位置，滚动角和偏航角的动力学方程；第二个和第三个是全驱动子系统，表示系统关于偏航角和垂直位置的动力学方程；第四个子系统是关于推进力的动力学方程。在完成控制设计之后，本文利用基于Lyapunov稳定性理论的分析方法，证明了论文中提出的非线性自适应控制能够保证闭环系统的稳定，并在飞行器质量参数未知条件下，实现了水平位置、垂直位置以及偏航角的渐近稳定轨迹跟踪。

最后，本文用MATLAB对四旋翼无人飞行器控制系统进行了仿真；仿真结果验证了使用反步法结合自适应控制能够使系统的位置输出和偏航角追踪期望轨迹，同时保持了滚动角和俯仰角的稳定。

本文的创新之处是设计了基于反步法的自适应控制器，解决了质量未知的情况下四旋翼无人飞行器的轨迹追踪问题，并保证了系统稳定和跟踪误差收敛。

本文链接：/Periodical_hjhkgcxyxb200905006.aspx

授权使用：李建平(wfnchkdx)，授权号：e7083126-c414-4535-9e0d-9e9e00bddb36