四旋翼无人机姿态控制系统设计(附件)【字数：16052】
摘 要摘 要四旋翼无人机是一种具有六自由度，可垂直起降的无人飞行器。其机动性强、稳定性高、操作简单等特点使其在民用领域、军事领域都备受青睐，表现出了极强的使用价值。滑模控制，响应速度快，具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统具有良好的控制效果。本文基于滑模理论设计了一种滑模控制器来实现四旋翼无人机的姿态控制。针对四旋翼无人机的姿态控制，建立数学模型。然后，根据滑模控制理论和所建立的模型设计出一种滑模控制器。仿真实验表明所设计的控制器响应时间快，稳态误差小，对四旋翼无人机具有良好的控制效果。关键词四旋翼无人机；姿态控制；滑模控制
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 姿态控制研究现状 2
1.2.1国外现状 2
1.2.2 国内现状 2
1.3 滑模控制研究现状 3
1.4 四旋翼无人机的研究重点 3
1.5 四旋翼无人机的发展趋势 4
1.6 常用的四旋翼无人机控制方法 5
1.7 课题研究的主要内容 6
第二章 四旋翼无人机的建模 7
2.1 四旋翼无人机的飞行原理 7
2.1.1 结构 7
2.1.2 飞行原理 8
2.2 坐标系的建立 10
2.3 姿态角的建立 11
2.4 控制原理 11
2.5 建模与分析 12
2.6 本章小结 13
第三章 四旋翼无人机控制系统设计 15
3.1 滑模控制理论 15
3.1.1 滑模变结构控制 15
3.1.2 滑动模态定义 15
3.1.3 滑模控制的定义 16
3.1.4 滑模控制器的设计 17
3.2 串级控制系统 18
3.2.1 串级控制系统的特点 18
3.3 有限时间收敛微分器设计 19
3.3.1 有限时间收敛微分器原理 19
3.3.2 有限时间收敛微分器设计 21
3.4 姿态控制器设计 24
3.5 位置控制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
器设计 25
3.6 仿真实验 26
3.7 仿真结果分析 27
3.8 本章小结 29
结论和展望 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
无人机，顾名思义就是没有驾驶员，能够自主飞行的飞机，主要利用遥控装置，和预先设计好的控制器来对其飞行进行控制。无人机最初出现在战争时刻，跟需要驾驶员控制的载人飞机相比，无人机具有体积小，结构简单，造价低，使用方便，对工作环境要求低，在战场的生存能力强等优点，所以一经出现，就备受关注，引起了各国的研究热潮。无人机根据其飞行原理，可以分为固定翼无人机和旋翼无人机。
单旋翼无人机是旋翼无人机中最为典型的例子，最初的研究对象大多采用单旋翼无人机，然而单旋翼无人机存在着一些显著的缺陷，使得单旋翼无人机在最初的研究应用上受到了很大的限制[1]。首先，单旋翼无人机的结构十分复杂，使得其制造起来变得十分昂贵，并且后续的维修变得十分困难。其次，控制系统十分复杂，使得其姿态控制变得十分困难。虽然这些缺点使单旋翼无人机在各个领域的推广受到了极大的限制，但是学者们却从来没有失去对其研究的兴趣。自20世纪50年代以来，共轴双旋翼和非共轴四旋翼所代表的碟形无人机是这些年来出现许多新式无人机中最引人注目的。碟形无人机，可以产生更大的推动力，结构更加简单，更加紧密。而且该无人机不需要特殊的反扭矩浆，因为它能够通过反扭矩作用促使无人机保持平衡。许多的学者在进行无人机研究的时候都是以四旋翼无人机作为研究平台，因为四旋翼无人机结构十分新颖，飞行模式十分独特，引起了学者们广泛的关注。
四旋翼无人机是一种具有六个自由度,可以垂直起降的无人飞行器。其机动性强、稳定性高、易于操作等特点使其在民用领域和军事领域都广受欢迎，表现出了极强的使用价值。但四旋翼无人机是一个典型的具有强耦合性、欠驱动、非线性、易受外界环境干扰的系统，这使得很难对其进行精确建模，因此针对四旋翼无人机的控制(姿态、位置等)变的相对困难[2]。滑模控制具有消除稳态误差的特点，和系统自身的参数以及受到的扰动无关，因此它具有很好的鲁棒性，可以有效的减少各通道的超调量。因此，这种方法可以解决四旋翼无人机的姿态控制问题，还能应用到伺服系统、机器人、海上平台和航空航天等相关的领域。
1.2 姿态控制研究现状
上个世纪初无人机各国学者就开始了无人机的研究，当时许多科研机构和国外学者研究开发出了固定翼型的无人机，有一些前瞻性，突破性的研究和实验由于缺乏科学研究条件，大多都以失败告终。进入二十一世纪以来，科学技术不断发展进步，高精度传感器的开发，微电子技术的发展，使得各国学者不再局限于单旋翼型的无人机，而是逐渐开始了多旋翼无人机的研究。
1.2.1国外现状
2005年，斯坦福大学的STARMAC项目采用PID控制，滑模积分和增强学习控制算法设计出一种自主飞行控制系统，他们将Draganfiyer公司的四旋翼飞行器作为设计的基础，设计出了一种将加速度计，电子罗盘，陀螺仪与GPS组合的组合式惯性导航系统[2]。
2007年，瑞士洛桑科技联邦科技学院的自动化系统实验室，在OSⅠ上已经实现了PID控制，Slidingmode，LQ，以及Backstepping，等姿态稳定控制算法。OS4系列目前已经有两代的原型样机：OS4Ⅰ和OS4Ⅱ。他们开发出了OS4（一种小型四旋翼飞行器），对四旋翼飞行器的飞行控制算法和结构设计进行了深入研究。
2010年，麻省理工大学的研究人员对四旋翼无人机螺旋桨发生断裂时的位置姿态进行了研究，利用视觉捕捉系统实时提供飞行器的位置，分别采用模型参考自适应和复合模型参考自适应算法设计了容错控制器。
2011年，加拿大Concordia大学针对四旋翼无人机发生故障的情况，采用线性二次型调节器控制飞行器姿态，分别采用模型参考自适应和变增益PID算法控制飞行器的姿态[3]。
1.2.2 国内现状
2006年，国防科技大学聂博文等人利用Backstepping和ADRC算法初步实现了对飞行器的姿态进行控制，并且进行了仿真实验，证明了该算法的可靠性。他们对四旋翼无人机的飞行原理和结构特点进行了深入研究[3]，然后建立了四旋翼无人机的动力学模型，最后运用平方根滤波的方法对四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 姿态控制研究现状 2
1.2.1国外现状 2
1.2.2 国内现状 2
1.3 滑模控制研究现状 3
1.4 四旋翼无人机的研究重点 3
1.5 四旋翼无人机的发展趋势 4
1.6 常用的四旋翼无人机控制方法 5
1.7 课题研究的主要内容 6
第二章 四旋翼无人机的建模 7
2.1 四旋翼无人机的飞行原理 7
2.1.1 结构 7
2.1.2 飞行原理 8
2.2 坐标系的建立 10
2.3 姿态角的建立 11
2.4 控制原理 11
2.5 建模与分析 12
2.6 本章小结 13
第三章 四旋翼无人机控制系统设计 15
3.1 滑模控制理论 15
3.1.1 滑模变结构控制 15
3.1.2 滑动模态定义 15
3.1.3 滑模控制的定义 16
3.1.4 滑模控制器的设计 17
3.2 串级控制系统 18
3.2.1 串级控制系统的特点 18
3.3 有限时间收敛微分器设计 19
3.3.1 有限时间收敛微分器原理 19
3.3.2 有限时间收敛微分器设计 21
3.4 姿态控制器设计 24
3.5 位置控制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
器设计 25
3.6 仿真实验 26
3.7 仿真结果分析 27
3.8 本章小结 29
结论和展望 31
致 谢 32
参 考 文 献 33
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
无人机，顾名思义就是没有驾驶员，能够自主飞行的飞机，主要利用遥控装置，和预先设计好的控制器来对其飞行进行控制。无人机最初出现在战争时刻，跟需要驾驶员控制的载人飞机相比，无人机具有体积小，结构简单，造价低，使用方便，对工作环境要求低，在战场的生存能力强等优点，所以一经出现，就备受关注，引起了各国的研究热潮。无人机根据其飞行原理，可以分为固定翼无人机和旋翼无人机。
单旋翼无人机是旋翼无人机中最为典型的例子，最初的研究对象大多采用单旋翼无人机，然而单旋翼无人机存在着一些显著的缺陷，使得单旋翼无人机在最初的研究应用上受到了很大的限制[1]。首先，单旋翼无人机的结构十分复杂，使得其制造起来变得十分昂贵，并且后续的维修变得十分困难。其次，控制系统十分复杂，使得其姿态控制变得十分困难。虽然这些缺点使单旋翼无人机在各个领域的推广受到了极大的限制，但是学者们却从来没有失去对其研究的兴趣。自20世纪50年代以来，共轴双旋翼和非共轴四旋翼所代表的碟形无人机是这些年来出现许多新式无人机中最引人注目的。碟形无人机，可以产生更大的推动力，结构更加简单，更加紧密。而且该无人机不需要特殊的反扭矩浆，因为它能够通过反扭矩作用促使无人机保持平衡。许多的学者在进行无人机研究的时候都是以四旋翼无人机作为研究平台，因为四旋翼无人机结构十分新颖，飞行模式十分独特，引起了学者们广泛的关注。
四旋翼无人机是一种具有六个自由度,可以垂直起降的无人飞行器。其机动性强、稳定性高、易于操作等特点使其在民用领域和军事领域都广受欢迎，表现出了极强的使用价值。但四旋翼无人机是一个典型的具有强耦合性、欠驱动、非线性、易受外界环境干扰的系统，这使得很难对其进行精确建模，因此针对四旋翼无人机的控制(姿态、位置等)变的相对困难[2]。滑模控制具有消除稳态误差的特点，和系统自身的参数以及受到的扰动无关，因此它具有很好的鲁棒性，可以有效的减少各通道的超调量。因此，这种方法可以解决四旋翼无人机的姿态控制问题，还能应用到伺服系统、机器人、海上平台和航空航天等相关的领域。
1.2 姿态控制研究现状
上个世纪初无人机各国学者就开始了无人机的研究，当时许多科研机构和国外学者研究开发出了固定翼型的无人机，有一些前瞻性，突破性的研究和实验由于缺乏科学研究条件，大多都以失败告终。进入二十一世纪以来，科学技术不断发展进步，高精度传感器的开发，微电子技术的发展，使得各国学者不再局限于单旋翼型的无人机，而是逐渐开始了多旋翼无人机的研究。
1.2.1国外现状
2005年，斯坦福大学的STARMAC项目采用PID控制，滑模积分和增强学习控制算法设计出一种自主飞行控制系统，他们将Draganfiyer公司的四旋翼飞行器作为设计的基础，设计出了一种将加速度计，电子罗盘，陀螺仪与GPS组合的组合式惯性导航系统[2]。
2007年，瑞士洛桑科技联邦科技学院的自动化系统实验室，在OSⅠ上已经实现了PID控制，Slidingmode，LQ，以及Backstepping，等姿态稳定控制算法。OS4系列目前已经有两代的原型样机：OS4Ⅰ和OS4Ⅱ。他们开发出了OS4（一种小型四旋翼飞行器），对四旋翼飞行器的飞行控制算法和结构设计进行了深入研究。
2010年，麻省理工大学的研究人员对四旋翼无人机螺旋桨发生断裂时的位置姿态进行了研究，利用视觉捕捉系统实时提供飞行器的位置，分别采用模型参考自适应和复合模型参考自适应算法设计了容错控制器。
2011年，加拿大Concordia大学针对四旋翼无人机发生故障的情况，采用线性二次型调节器控制飞行器姿态，分别采用模型参考自适应和变增益PID算法控制飞行器的姿态[3]。
1.2.2 国内现状
2006年，国防科技大学聂博文等人利用Backstepping和ADRC算法初步实现了对飞行器的姿态进行控制，并且进行了仿真实验，证明了该算法的可靠性。他们对四旋翼无人机的飞行原理和结构特点进行了深入研究[3]，然后建立了四旋翼无人机的动力学模型，最后运用平方根滤波的方法对四旋翼飞行器的飞行姿态进行控制。
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