微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究
微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析
[ 1- 2]
国内开展了 微 小型 四 旋翼 无 人机 的 相关 技 术研 究。主要两种四旋翼, 图 4所 示四旋 翼机 身由两 支空 心铝竿构成; 动 力 设备 采 用 Dragan flyer ! 旋 翼、 瑞士 M axon 电机以及自行 设计 的齿轮 减速 装置; 飞行 控制 系统主要包括飞行控 制计 算机、 旋 翼转速 伺服 控制子 系统、 传感器子系统、 无线通信子系统。图 5 所示四旋 翼采用玻纤板结构, 重量轻, 且不易损坏。螺旋桨采用 10 in( 1 in = 2. 54 c m ) GW S 三叶正反桨, 经过多次飞行 试验证明该桨抗 撞击 力强, 不 易折断。视 频采 集模块 可以实时传输视频 (图 像压 缩, 可以 通过 W iF i实时传 输 ) , 数据加载卡可记录飞行数据。下一步的研究目标 是实现在室外环境中 高精 度姿态 稳定控 制、 全 自主航 点飞行、 碰撞规避等实验。
图 2 X 4 F ly er 图 3 X 4 F lyer M ark I 四旋翼平台 F ig . 3 X 4 F lye rM a rk I M ark II四旋翼 平台 F ig . 2 X 4 F lye rM ark II
1 . 1 微小型四旋翼原型探索研究与开发 主要介绍瑞士洛桑联邦科技学 院 ( EPFL ), 澳 大利 亚国立大学 ( AUN ) 以 及 国内 某大 学在 微 小型 四旋 翼 无人机原型探索方面的研究进展。 瑞士洛桑联 邦科技 学院 OS4项 目 ( Omn id irect ional
。 OS4四旋翼无
人机是由电 力驱动的 (见图 1) , 可在室内 /外环 境全自 主飞行。 OS4原型是全自主四旋翼平台, 该项目的研究 目标是设 计和 开发一 个自主 控制 四旋翼 直升 机系统。 此外, EPFL 还研究了 OS4的避障问题 , 使用 4个超声 波传感器探测障碍物、 一个 超声波传感 器测高度, 并在 M atlab /S m i u link仿真环 境下进行了 OS4 避障模 型的测 试, 设计了避障控制器、 基于 位置和速度 控制的 5 种不 同避碰方法, 并做了 相关测试 实验证 明, OS4在 仿真环
四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究
四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究随着无人机技术的不断发展，四旋翼飞行器已经成为了无人机市场中的一种重要机型。
四旋翼飞行器由于其体积小、操作灵活、便携性强等特点，被广泛应用于农业、地质勘探、安防、航拍等领域。
然而，四旋翼飞行器的稳定性及控制问题一直是制约其广泛应用的关键性技术之一。
因此，本文将探究四旋翼飞行器动力学建模及控制技术的研究现状和趋势。
一、四旋翼飞行器动力学建模四旋翼飞行器的动力学模型一般包括四个方程，分别是运动学方程、动力学方程、气动平衡方程以及电机方程。
首先，运动学方程是描述四旋翼飞行器在空间的运动轨迹和姿态的方程。
这个方程组包括七个微分方程，包括三个表示位置的方程和四个表示姿态的方程。
位置方程描述飞行器在三个自由度上的运动，姿态方程描述飞行器在三个方向上的旋转。
接下来，动力学方程主要描述四旋翼飞行器的运动和状态方程。
四旋翼飞行器的动力学方程主要包括牛顿定律、欧拉定理、动量定理和角动量定理。
气动平衡方程则描述了四旋翼飞行器在空气中的运动状态。
这个方程组包括六个方程，其中四个方程描述四个电机的输出，两个方程描述飞行器的速度和角速度。
电机方程则描述了四个电机的动力输出。
这个方程通常采用电机的转矩和输出功率来进行建模，用来计算四旋翼飞行器的运动状态。
二、四旋翼飞行器控制技术四旋翼飞行器的控制技术是保障其稳定飞行的关键之一。
控制技术的核心是设计合理的控制算法和系统结构，通过对飞行器的状态进行控制，以达到预定的控制目标。
其中，传统的PID控制算法无法适应四旋翼飞行器的高自由度、快速响应的特点。
针对这个问题，目前研究较多的是基于模型预测控制（MPC）和切换控制的方法。
MPC将控制问题视为一个优化问题，通过对未来状态进行预测，优化当前状态，从而实现系统控制。
而切换控制则通过将控制问题分成多个子空间，通过切换不同的控制子空间，实现系统控制。
同时，四旋翼飞行器的控制技术也离不开传感技术的支撑。
四旋翼飞行器需要准确地获取各种姿态、位置、速度等信息才能进行控制。
微小型无人直升机建模与姿态控制
ｌ ｏ ｏ ｐ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈａ ｓ ｇ ｏ ｏ ｄ ｓ ｈａ ｐ ｅ ｉ ｎ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎｃ ｙ ｄ ｏ ｍａ ｉ ｎＴ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ２ ０ ％ ｄ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ａ ｎ ｃ ｅ
．
ｉ ｓ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍｅ ｄ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ｇ ｒ ｏ ｂｕ ｓ ｔ ｎｅ ｓ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｌｉ ｆ ｇ ｈ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ｖ ｅ ｉｆ ｒ ｉ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ ： ｍｉ ｎ ｉ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｕ ｎ ｍａ ｎ ｎ ｅ ｄ ｈ ｅ ｌ ｉ ｃ ｏ ｐ ｔ ｅ ｒ ； ｌ ｏ ｏ ｐ ｓ ｈａ ｐ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｐ ｐ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ； ａ ｔ ｔ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ； ｌｉ ｆ ｇ ｈ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｎ ｉ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｕ ｎ ｍａ ｎ ｎｅ ｄ ｈ ｅ ｌ ｉ ｃ ｏ ｐ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究
第１页
国防科学技术大学研究生院学位论文 ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｍｉｃｒｏ／ｍｉｎｉ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ｉｓ ａｌｌ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，ｎｏｖｅｌ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｋｅ－ｏｆｆａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ ＶｅｈｉｅｌｅｆＯＡＶ）ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｎｄ ｃｉｖｉｌｉａｎ ｕｓａｇｅｓ．Ｂａｓｅｄ ＯＲ ａ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ／ｍｉｎｉ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ ｏｎ ｉｔｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ Ｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎ仕ｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｔａｔｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ
ｓ协ｎ酊ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ａｒｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ．
Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎ廿ｏｉｌｅｍ（ＡＤＲＣ）ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅｎ ｓｔａｔｅｓ ｏｆｔｈｅ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ｔｏ ｓｔａｂｉｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｈｅｉｇｈｔ；ｔｈｅ ＰＤ－ＡＤＲＣ ｄｏｕｂｌｅ ｄｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ ａｒｅ ｉｎ仃ｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｄｉｍｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｄ）ｍ珊ｎｉ晦ｔｈｅｎ ｔｈｅ Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｏ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｃｄ’ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｑｕａｄｒｏｔｒ ｃａｌｌ ｈｏｖｅｒ．１１圮ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ
四旋翼无人机控制原理
四旋翼无人机控制原理1、控制原理飞控通过接收机接收遥控器发送的遥控信号（地面站控制时：地面站通过云航灯或电台发送给飞控的自主飞行指令），经过飞控程序处理后，通过电调来控制各个电机的转速，从而达到控制飞行器动作的目的。
2、飞控飞控即飞行控制系统是飞机的大脑，无人机在飞行过程中，利用自动控制系统，能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制，其载有加速度计、陀螺仪、气压计、罗盘等传感器。
由它来控制各个电机的转速进而控制飞机的姿态，加上GPS或差分GPS可完成定点悬停，自主航线飞行等功能。
3、遥控器遥控器模式常用的有美国手和日本手，遥控器上油门的位置在左边是美国手，右边是日本手。
个人觉得美国手比较符合认知规律。
美国手（左边遥杆：上下控制油门，左右控制方向；右边遥杆：上下控制前进后退，左右控制左右移动）日本手（左遥杆：上下控制前进后退，左右控制方向；右遥杆：上下控制控制油门，左右控制左右移动）。
4、电调动力电机的调速系统成为电调，全称电子调速器（Electronic Speed Controller，简称ESC），它根据控制信号调节电动机的转速。
根据动力电机不同可分为无刷调和有刷电调，无刷电调控制无刷电机，有刷电调控制有刷电机。
无刷电调输入是直流，可以接稳压电源或锂电池。
输出是三相交流，直接与电机的三相输入端相连。
选择电调时要注意电调与电机匹配，一般根据额定载荷下通过单个电机的最大电流选择电调。
5、电机无人机上用的电机一般分为有刷电机和无刷电机，有刷电机一般用的微型航模上比如空心杯电机，目前无人机上的电机大部分用的都是无刷电机。
无刷电机通过三相交流电产生一个旋转磁场驱动转子转动，通过pwm控制速度。
小体积、高效率和稳态转速误差小等特点，无刷电机要配合电子调速器（电调）使用。
6、桨螺旋桨，将电机转动功率转化为推进力或升力。
螺旋桨高速转动时，由于桨叶特殊的机构，会在桨上下面形成一个压力差，产生一个向上的拉力，螺旋桨有两个重要的参数，桨直径和桨螺距，单位均为英寸。
基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统研究与设计
摘要小型四旋翼无人飞行器由于具有精确悬停、垂直起降以及机械结构简单等特点，已经成为众多研究机构的研究热点，无论是在军事领域，还是在民用领域，四旋翼无人机都有着广泛的应用。
由于四旋翼无人飞行器是一个具有6自由度和4个控制输入的欠驱动系统，其数学模型具有强耦合、非线性、多变量等特点，以及建模不精确和外部干扰等不确定因素，均使得飞行控制复杂化。
因此本文以反步法为基础，结合不同策略，研究与设计了四旋翼飞行器的控制系统，并利用仿真实验验证与分析了所设计系统的飞行性能。
首先，将四旋翼无人飞行器看作刚体，选取合适的坐标系，分析了四旋翼无人飞行器空气动力学特性和飞行原理，在此基础上，推导并建立四旋翼飞行器的数学模型。
其次，在不考虑不确定因素的情况下，详细分析了基于反步法的四旋翼无人飞行器飞行控制系统的设计。
设计过程中，将四旋翼的控制系统结构分为位置环路和姿态环路分别进行设计。
接着，针对飞行器姿态环路存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和RBF神经网络的控制策略。
利用RBF神经网络对任意非线性连续函数具有逼近的特点，在控制系统设计过程中在线估计出复合干扰，同时对于逼近误差进行了补偿。
最后，针对在位置和姿态环路均存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和ESO的控制策略。
为避免反步设计过程中出现“微分爆炸”现象，提出了动态面策略，以及为提高系统鲁棒性，采用了滑模面；为减轻控制系统的复杂计算，对于系统中出现的复合干扰项，提出了ESO方法对其在线实时估计，并在控制律设计中实时补偿。
关键词：四旋翼无人飞行器，反步法，RBF神经网络，扩张状态观测器，复合干扰，轨迹跟踪ABSTRACTDue to its advantages such as precise hovering, vertical taking off and landing (VTOL), and simple mechanical structure, the quadrotor unmanned aerial vehicle(UA V) has become hotspot in the unmanned aerial vehicle area, and whether in the military field or in the field of civil, the vehicle has been widely used. The vehicle is a typical uneractuated system, and it has six degrees of freedom and four control input. The mathematical model has the characteristics of strong coupling, nonlinear, multivariable, and modeling imprecision and uncertainty factors such as external disturbance, are complicated flight control. So this paper adopts control method based on the backstepping to study and design the flight control system of the vehicle and through the simulation to the control system analysis and verification.Firstly, this paper takes the vehicle as a rigid body, selects the appropriate coordinate system, and analyzes the aerodynamic characteristic and the flying principle. On this basis, the mathematical model of the vehicle is derivated and established.Secondly, without considering various uncertain factors, this paper introduces in detail the flight control system design based on the backstepping. In the design process, the whole control structure can be divided into position loop control and attitude loop to design respectively.Thirdly, for the aircraft attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. Using the characteristic of the RBFNN to approximate arbitrary nonlinear continuous function to estimate the compound disturbance online and compensate the approximation error. The controller can guarantee the vehicle to track the desired trajectory.Finally, for the position loop and attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. For avoiding the complex calculation, the interference is observed by ESO online and the algorithm composites the interference in the control law. For avoiding the problem of “explosion of terms” in backstepping control and improving the robust, the dynamic surface control method and the sliding mode surface are applied to design the controller.KEY WORDS：Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle, Backstepping, Netural Network, Extended State Observer, Compound Interference, Trajectory Tracking目录摘要 (I)ABSTRACT .................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1 论文的研究背景与意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状 (2)1.2.1 四旋翼飞行器的应用研究现状 (2)1.2.2 四旋翼飞行器的控制算法研究现状 (8)1.3 论文主要内容与论文结构 (9)第2章小型四旋翼无人飞行器的建模 (11)2.1 四旋翼飞行器的机体结构和飞行原理 (11)2.1.1 四旋翼飞行器的机体结构 (11)2.1.2 四旋翼飞行器的飞行原理 (12)2.2 四旋翼飞行器的数学模型 (12)2.2.1 坐标系分析 (13)2.2.2 四旋翼飞行器的空气动力和力矩分析 (14)2.2.3 四旋翼飞行器的位置子系统模型 (15)2.2.4 四旋翼飞行器的姿态子系统模型 (15)2.3 本章小结 (16)第3章基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (17)3.1 反步法基本概念 (17)3.1.1 李雅普诺夫稳定性 (17)3.1.2 反步法及其稳定性 (18)3.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (20)3.2.1 姿态回路控制律设计 (22)3.2.2 位置回路控制律设计 (23)3.3 仿真分析 (24)3.4 本章小结 (27)第4章基于反步法和RBFNN的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (29)4.1 RBF神经网络基本概念 (29)4.1.1 RBF神经网络结构 (30)4.1.2 RBF神经网络的逼近 (31)4.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (32)4.2.1 位置环路控制律设计 (34)4.2.2 姿态环路控制律设计 (35)4.3 仿真分析 (38)4.4 本章小结 (40)第5章基于反步法和ESO的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (43)5.1 扩张状态观测器(ESO)以及相关基础知识 (44)5.1.1 ESO的设计及其误差有界性分析 (44)5.1.2 动态面策略 (46)5.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (47)5.2.1 位置环路控制律设计 (48)5.2.2 姿态环路控制律设计 (49)5.3 仿真分析 (52)5.4 本章小结 (55)第6章总结与展望 (57)6.1 论文总结 (57)6.2 论文展望 (58)参考文献 (59)发表论文和科研情况说明 (63)致谢 (65)第1章绪论第1章绪论在本章中首先简单描述了四旋翼无人飞行器的研究背景和意义，其次简单介绍了四旋翼无人机的发展历程以及目前的发展现状，最后概述了本论文的内容安排和论文的结构安排。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人机，可以垂直起降和定点悬停，具有灵活性和机动性。
它的飞行控制技术可以分为姿态控制和位置控制两种基本类型。
姿态控制是指控制飞行器姿态（包括横滚、俯仰和偏航），而位置控制则是控制飞行器的定点飞行或航线飞行。
下面将对这两种控制技术进行详细介绍。
一、姿态控制技术1. 传统PID控制PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个分量的组合来调节系统的输出。
在四旋翼飞行器中，PID控制可以用来控制姿态，使飞行器保持平稳的飞行状态。
通过对角速度和角度的反馈控制，可以实现对飞行器姿态的精确控制。
但是PID控制也存在一些问题，比如对于非线性系统和参数变化的系统，PID控制的性能会受到影响。
2. 模糊控制模糊控制是一种可以应对非线性系统和模糊环境的控制方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用模糊控制来实现对姿态的精确控制。
通过建立模糊规则库，可以将模糊的输入与输出进行映射，实现对飞行器姿态的控制。
模糊控制可以有效地应对系统的非线性特性，但是对规则库的设计和参数的选择需要较大的经验和技巧。
3. 神经网络控制4. 遗传算法控制遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，可以用来优化系统的控制参数。
在四旋翼飞行器中，可以利用遗传算法来寻找最优的姿态控制参数，从而实现对飞行器姿态的精确控制。
遗传算法能够全局寻优，但是需要大量的计算资源和较长的优化时间。
1. GPS定位控制GPS定位是一种全球定位系统，可以实现对飞行器位置的精确控制。
在四旋翼飞行器中，可以利用GPS定位进行位置控制，实现定点飞行或航线飞行。
通过GPS模块获取飞行器的位置信息，可以实现对飞行器位置的精确控制。
但是GPS在室内或密集城市地区信号可能不太可靠。
3. 惯性导航控制惯性导航是一种通过加速度计和陀螺仪获取飞行器运动信息，并通过积分计算得到飞行器位置信息的导航方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用惯性导航进行位置控制，实现对飞行器位置的精确控制。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录摘 要 (I)ABSTRACT (II)第一章 绪 论 (1)§1.1课题背景 (1)§1.2国内外研究现状 (1)§1.3本课题研究的科学意义与应用前景 (2)§1.4本文的主要内容 (3)第二章 微小型四旋翼无人直升机建模 (4)§2.1引言 (4)§2.2机体构造与飞行原理 (4)§2.3旋翼空气动力学 (5)§2.3.1旋翼和桨叶的相对气流 (5)§2.3.2空气动力与力矩 (6)§2.4动力系统模型 (11)§2.5微小型四旋翼无人直升机动力学 (12)§2.6本章小结 (15)第三章 基于Backstepping的微小型四旋翼无人直升机控制 (17)§3.1引言 (17)§3.2 Backstepping方法 (17)§3.2.1 Lyapunov稳定性 (17)§3.2.2严格反馈系统 (19)§3.2.3 Backstepping算法及其稳定性证明 (19)§3.3基于Backstepping的飞行控制系统设计 (22)§3.3.1动力学模型 (22)§3.3.2飞行控制系统设计 (23)§3.3.3 Backstepping控制器设计及其稳定性分析 (24)§3.4仿真结果与分析 (29)§3.5本章小结 (32)第四章 基于ADRC的微小型四旋翼无人直升机控制 (33)§4.1引言 (33)§4.2 ADRC基本原理 (33)§4.2.1 ADRC系统结构 (34)§4.2.2 ADRC数学模型 (35)§4.2.3 ADRC收敛性分析 (38)§4.2.4 ADRC典型应用 (38)§4.3基于ADRC的飞行控制系统设计 (39)§4.3.1动力学模型 (40)§4.3.2飞行控制系统设计及其稳定性分析 (40)§4.3.3 ADRC算法及其参数整定原则 (42)§4.4仿真结果与分析 (43)§4.4.1 ADRC控制仿真结果与分析 (44)§4.4.2 PD-ADRC控制仿真结果与分析 (47)§4.5本章小结 (48)第五章 微小型四旋翼无人直升机状态估计 (49)§5.1引言 (49)§5.2 SR-UKF滤波算法 (49)§5.2.1 UT变换 (50)§5.2.2矩阵QR分解与Cholesky分解因数更新 (51)§5.2.3状态估计SR-UKF滤波算法 (51)§5.3微小型四旋翼无人直升机状态估计算法 (53)§5.3.1状态方程与量测方程 (53)§5.3.2仿真实验与分析 (54)§5.4本章小结 (56)第六章 总结与展望 (57)参考文献 (59)硕士期间发表的学术论文 (61)致 谢 (62)摘要微小型四旋翼无人直升机是一种外型新颖、性能卓越的垂直起降无人机，具有重要的军事和民用价值。
本文在综述微小型四旋翼无人直升机的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上，针对其独特性能，重点研究其数学建模、非线性控制以及非线性状态估计问题，主要研究内容和成果包括：首先，针对自行设计、制作的原型样机，建立旋翼空气动力学、动力系统动力学模型，推导出微小型四旋翼无人直升机动力学模型，并将之变换为仿射非线性形式。
其次，针对微小型四旋翼无人直升机的欠驱动特性，基于反步法(Backstepping)，设计微小型四旋翼无人直升机飞行控制系统，利用Lyapunov方法证明其稳定性，并通过仿真实验对算法有效性进行了检验。
再次，针对系统的直接驱动部分，设计自抗扰控制器(ADRC)，进行姿态增稳和飞行高度控制；针对系统零动态，设计PD-ADRC双闭环控制器，以实现悬停飞行控制，并利用Lyapunov方法分析其稳定性；此外，还通过仿真实验验证了算法有效性。
最后，基于平方根UKF滤波方法进行微小型四旋翼无人直升机状态估计，并给出了仿真结果。
关键词：微小型无人机；四旋翼；动力学模型；反步法；自抗扰控制；Lyapunov稳定性；平方根UKFABSTRACTMicro/mini quadrotor is an excellent, novel vertical take-off and landing Unmanned Aerial Vehicle(UA V) for both military and civilian usages. Based on a summary of the research status quo, the key technologies and the future applications of the micro/mini quadrotor, this paper concentrates on its special characteristics, mainly researched the problems on mathematical modeling, nonlinear controller and state estimation. Some important theoretical analysis and research results are as follows:Firstly, the dynamics and kinematics equations of the prototype quadrotor are established by mathematical modeling. And the system equations are transformed to affine nonlinear form.Secondly, the underactuated characteristic of the quadrotor is analyzed, based on the backstepping, a flight controller is designed for both hovering and tracking, then the Lyapunov stability of the system is analyzed. Simulations show that the proposed controllers are validity.Thirdly, the Active Disturbances Rejection Controllers(ADRC) are designed for the direct driven states of the quadrotor to stabilize the vehicle and control the flight height; the PD-ADRC double closed loops are introduced to diminish the zero dynamics, then the Lyapunov stability of the double closed loops is analyzed, so that the quadrotr can hover. The validity of these controllers is proved by simulations.Finally, the states of the quadrotor needed by the controllers are estimated by a Square Root Unscented Kalman Filter(SR-UKF).Keywords: micro/mini UA V; quadrotor;dynamic model;backstepping; ADRC; Lyapunov stability; SR-UKF第一章绪论§1.1课题背景无人机（Unmanned Aerial Vehicle）是指具有动力装置，不载操作人员的飞行器。
它利用空气动力来克服自身重量，可自主或遥控飞行，可一次性或多次回收使用，能够携带杀伤性或非杀伤性载荷[1]。
固定翼无人机在技术上已经非常成熟，而且在过去二十多年的局部战争中充分展现了它们的作战性能，为美国、以色列等国军队取得战争的胜利立下了功勋[1-2]。
20 世纪 80 年代初以色列军队在黎巴嫩对无人机的成功使用使得各国开始重新评估无人机对未来战争的影响，美国海军也因此采用了以色列 IAI 公司的“先锋”无人机在其战列舰上执行侦察、监视、目标获取及打击效果评估等任务，并在海湾战争中取得了极大的成功。
在“自由伊拉克行动”中，美军大量使用了“捕食者”和“全球鹰”无人侦察机。
“捕食者”的任务是为战斗机识别目标，其任务完成率达到了77.2%；“全球鹰”则为摧毁伊拉克防空武器的行动提供了一半以上的目标锁定视象。
相对固定翼无人机而言，可垂直起降(vertical take-off and landing,VTOL)的旋翼无人机发展要缓慢得多[2-3]。
这是因为VTOL飞行器的控制远比固定翼复杂，早期的技术水平无法实现其自主飞行控制。
但是VTOL无人机具有固定翼无人机难以比拟的优点：能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化；能以各种姿态飞行，如悬停、前飞、侧飞和倒飞等。
这些优点决定了VTOL无人机比固定翼无人机具有更广阔的应用前景。
VTOL无人机作为一种具有独特飞行性能的无人机，正越来越受到人们的重视。
从20世纪50年代到现在先后涌现出了许多独特的小型VTOL无人机，各种新概念的VTOL无人机层出不穷，其中最引人注目的是一系列外形如飞碟的飞行器，如美国的“Cypher”、加拿大的“CL-327”等[4]。
微小型四旋翼无人直升机正是一种“碟形”飞行器，它以新颖的结构布局、独特的飞行方式引起了人们广泛的关注，迅速成为国际上新的研究热点。
§1.2国内外研究现状目前，世界上的四旋翼无人直升机基本上都属于微小型无人飞行器，一般可分为三类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器。
遥控航模四旋翼飞行器的典型代表是美国Draganflyer公司研制的Draganflyer Ⅲ。