四旋翼飞行器模型气动参数辨识与控制方法研究

摘要 (i)

ABSTRACT ......................................................................................................... i i 第一章绪论.. (1)

1.1 研究背景 (2)

1.2 国内外研究现状 (3)

1.2.1 国内外四旋翼飞行器研究现状 (3)

1.2.2 四旋翼飞行器建模研究概述 (9)

1.2.3 四旋翼飞行器控制方法概述 (10)

1.2.4 研究现状总结 (12)

1.5 论文的主要工作 (13)

1.6论文组织结构 (14)

第二章基于四元数表述姿态的系统建模 (16)

2.1 运动机理分析 (16)

2.1.1 基本运动分析 (16)

2.1.2 坐标系的建立 (16)

2.1.3 简化分析的假设 (17)

2.2 旋翼空气动力学 (17)

2.2.1 旋翼的桨盘模型 (17)

2.2.2 升力公式与功率公式 (19)

2.2.3 旋翼的效率 (19)

2.2.4 叶素理论 (21)

2.3 四旋翼飞行器动力学模型 (24)

2.3.1 四元数简介 (24)

2.3.2 四旋翼机体动力学模型 (28)

2.4 本章小结 (29)

第三章模型气动参数的系统辨识 (31)

3.1引言 (31)

3.2 频域辨识技术简介 (31)

3.2.1 频域辨识技术简介 (31)

3.2.2 CIFER简介 (32)

3.2.3 CIFER辨识流程 (34)

3.3.1 辨识实验 (35)

3.3.2 结果验证及分析 (36)

3.4 本章小结 (37)

第四章四旋翼飞行器的位姿控制方法研究 (38)

4.1引言 (38)

4.2 姿态控制方法 (40)

4.2.1 PD控制器 (40)

4.2.2 LQR控制器 (41)

4.3 基于反步法的几何特征位置控制方法 (44)

4.6 仿真分析 (48)

4.6.1 PD控制器用于姿态控制 (48)

4.6.2 基于反馈线性化的LQR控制器用于姿态控制 (49)

4.6.3 基于反步法的几何特征控制器用于位置控制 (52)

4.7 本章小结 (54)

第五章闭环控制实验结果及分析 (55)

5.1引言 (55)

5.2实验及结果分析 (55)

5.2.1 实验设备与平台简介 (55)

5.3 姿态控制实验及结果分析 (57)

5.3.1 无干扰姿态控制效果 (57)

5.3.2 外加冲击干扰姿态控制效果 (58)

5.3.3实验结果比较分析 (59)

5.4 位置控制实验及结果分析 (59)

5.5 本章小结 (60)

第六章总结与展望 (62)

6.1论文工作总结 (62)

6.2 未来工作展望 (63)

致谢 (64)

参考文献 (65)

作者在学期间取得的学术成果 (69)

附录A 误差单位四元数微分的求解 (70)

表3.1 飞行平台参数表 (35)

图1.1 万向定点飞行机器人OS4 (4)

图1.2 Drangonflyer X4-P四旋翼飞行器 (5)

图1.3 斯坦福大学STARMAC (6)

图1.4 X-4 Flyer Mark II四旋翼飞行器外观图 (6)

图1.5 奥克兰大学的四旋翼飞行器 (7)

图1.6 日本千叶大学四旋翼飞行器 (7)

图1.7 新概念的万向四旋翼测试平台 (8)

图1.8 国防科学技术大学设计的原型样机 (9)

图1.9 系统辨识的主要流程 (10)

图1.10 论文组织结构图 (15)

图2.1 四旋翼空中机器人飞行原理 (16)

图2.2 坐标系的定义 (17)

图2.3 上升状态旋翼的滑流物理图形 (18)

图2.4 桨盘面与叶素坐标轴系 (19)

图2.5 桨叶示意图 (20)

图2.6 桨叶剖面示意图 (22)

图2.7 刚体绕轴旋转示意图 (25)

图3.1 CIFER软件运行窗口 (33)

图3.2 CIFER功能示意图 (33)

图3.3 实际的输入输出数据 (34)

图3.4 CIFER工作流程 (35)

图3.5 辨识结果与实验数据频率响应的幅值 (36)

图3.6 辨识结果与实验数据频率响应的相位 (36)

图3.7 输出结果的时域验证 (37)

图4.1 指令脉宽与升力关系图 (39)

图4.2 指令脉宽与反转力矩关系图 (39)

图4.3 四旋翼飞行器基本控制流程 (40)

图4.4 LQR控制结构示意图 (41)

图4.5 推力与平面转轴示意图 (47)

图4.6 PD控制器仿真模型 (48)

图4.7 PD控制器仿真结果 (49)

图4.9 LQR控制器仿真结果 (50)

图4.11 加入冲击响应后控制效果对比图 (51)

图4.12 加入速度为1的白噪声之后控制性能对比图 (52)

图4.13 加入速度为10的白噪声之后控制性能对比图 (52)

图4.14 位置控制器仿真模型 (53)

图4.15 位置闭环控制位置姿态示意图 (53)

图4.16位置闭环控制电机转速示意图 (53)

图5.1 四旋翼飞行器机构图 (55)

图5.2 DSPF283335 (56)

图5.3 IMU姿态传感器 (56)

图5.4 六通道航模遥控器 (57)

图5.5 姿态控制平台 (57)

图5.6 无干扰状态下姿态单位四元数 (58)

图5.7 外加冲击干扰状态下的姿态与控制量 (59)

图5.8 位置闭环测试结果 (60)

四旋翼飞行器以其独有的非线性和欠驱动特性，已经成为近年来控制技术研

究领域的热点。本文依托四旋翼飞行器为研究平台，基于单位四元数表述机体姿

态信息，结合频域辨识的技术对模型参数做辨识工作，最后设计了基于反步法的

几何特征位置外环控制器和基于反馈线性化的LQR(linear quadratic regulator)姿态

内环控制器。主要工作有以下几个方面：

1.分析旋翼的空气动力学。从宏观上使用动量定理计算旋翼的推力和扭矩，从微观上使用叶素理论分析桨叶剖面的受力情况，最后得到较为完整的旋翼空气

动力特性。

2.使用单位四元数表述机体姿态信息。单位四元数表述的姿态具备很多优点，尤其是在坐标旋转和变换方面。

3.建立精确的数学模型是控制器设计的关键部分，文中建立了四旋翼飞行器的全状态非线性系统模型。

4.对于模型之中的部分不可直接量测的模型参数做系统辨识，结合系统辨识和机理分析的方法，提高了所建立模型的精度。

5.设计了基于反馈线性化的LQR姿态内环控制器。通过反馈线性化得到一

个线性系统，之后利用LQR设计最优控制器，最终得到闭环系统的非线性控制器。

6.基于反步法的几何特征位置外环控制器。依靠推力矢量的几何特征和反步法分析，设计非线性控制器实现位置信息到期望姿态的转换，最终实现位置闭环

控制。

主题词：四旋翼飞行器单位四元数系统辨识反馈线性化LQR 几何特征

反步法