文献翻译-四旋翼无人机位置和姿态跟踪控制

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文

毕业设计（论文）外文文献翻译题目：四旋翼无人机位置和姿态跟踪控制

系别

专业

班级

学生姓名

学号

指导教师

四旋翼无人机位置和姿态跟踪控制

摘要: 一个综合控制方法是提出要执行的位置和姿态跟踪小型四旋翼的动力学模型无人机（UAV），那里的动力学模型是欠驱动控制，高度耦合非线性的。首先，动力学模型分为全面启动子系统和欠驱动子系统；其次，全面启动子系统的控制器通过一种新的强大的终端滑模控制（台积电）的算法，这是用来保证所有状态变量在短时间内收敛到自己想要的值，收敛时间是如此之小，状态变量担任时间不变量的欠驱动子系统，另外，在欠驱动子系统的控制器通过滑模控制（SMC）设计。此外，该子系统的稳定性都证明了Lyapunov理论；最后，为了证明所提出的控制方法的鲁棒性，空气动力学的力和力矩，并作为外部扰动空气阻力考虑在内，得到的仿真结果表明，合成控制方法的立场和态度方面都有不错的表现当遇到外部干扰跟踪。

关键词：四旋翼无人机，欠驱动，新颖的鲁棒台积电，SMC，综合控制

1.介绍

四旋翼无人飞行器（UAV）正被用于一些典型的任务，如搜索和救援任务，监督，检查，测绘，航空摄影和法律的强制执行。

考虑到旋翼的动力学模型是一个欠驱动，高度耦合的和非线性的系统，很多控制策略，已经开发了一类相似的系统。其中，滑模控制，这已引起研究人员的瞩目，一直是一个有用的和有效的控制算法，处理系统具有较大不确定性，随时间变化的特性，非线性和有界外部干扰。该方法是基于定义指数稳定的滑动面作为机能缺失跟踪误差sandusing李亚普诺夫理论的，保证所有的状态轨迹在有限时间到达这些表面，另外，这些表面是渐近稳定，状态轨迹滑动沿着这些表面，直到他们到达原点。但是，为了获得快速跟踪误差收敛，期望的极点必须远离原点选择上的左半部分s平面，同时，这将反过来增加了控制器的增益，这是

不可取的考虑，在实际系统中的致动器饱和。

与非取代了传统的线性滑动面线性终端滑动面，更快的跟踪误差收敛是获得通过终端滑模控制，终端的滑动模式已被证明是有效的，用于提供更快收敛比围绕平衡点的线性超平面型滑模。台积电提出了不确定动态系统与纯料回分钟。一个鲁棒自适应台积电技术被用于正刚性连接的机械手具有不确定动态发展。一个全球性的非奇异台积电刚性机械臂正在呈现。机器人系统的有限时间控制是通过两个状态反馈和动态输出反馈控制研究。使用终端的滑动模式的一种新形式的刚性机械手的连续有限时间控制方案被建议。为了实现有限时间跟踪控制中的转子位置的非线性推力主动磁轴承系统的轴向，强劲的非奇异台积电被赋予。然而，传统的台积方法不是最好的收敛时间，主要的原因是非线性滑模的收敛速度比时的状态变量是接近平衡点的线性滑动模式慢。使用增强功能的滑动一个新的计划，台积电开发超平面对跟踪误差收敛到零的有限时间，提出了不确定性的单输入和单输出（SISO）非线性系统具有未知外部干扰的保证。在大多数现有的研究成果，在不确定的外部干扰都没有考虑这些非线性系统。为了进一步展示的新颖TSMC的鲁棒性，外部干扰被认为是进入非线性系统和被施加到所述控制器的设计。

图1 四旋翼无人机

在这项工作中，我们结合两部分组成控制，对于高精度的新颖的鲁棒台积电组件在完全致动子系统的跟踪性能以及一个SMC 组件处理在欠驱动子系统的外

部干扰。

尽管许多经典，高阶和SMC 扩展策略，已经开发了飞行控制器设计的四旋翼无人机，在报纸上这些策略被用来决定一个必要补偿外部干扰，此外，其他的控制方法，如比例-积分-微分（PID ）控制，回步平控制，开关模型预测姿态控制等等。已经提出了用于在飞行控制器的设计，上述控制策略，已经提出了为使旋翼稳定在有限时间和空气工艺的稳定时间可能太长，以反映他们的表现，稳定时间为四旋翼无人机，快速从一些意想不到的干扰中恢复至关重要的意义。为了减少时间，基于新颖的鲁棒TSMC 和SMC 算法合成控制方法被应用到的动态模型四旋翼无人机。合成控制方法，提出以保证所有的系统状态变量在短时间内收敛到他们的期望值。此外，状态变量的收敛时间进行了预测通过由新颖的鲁棒台积电得出的方程式，这表现在以下几个部分。

这项工作的组织安排如下：第2节提出了一个小的四旋翼无人机的动力学模型。合成控制方法是在第3节详细的介绍。在第4节，仿真结果分析，以突出整体有效性和所设计的控制器的有效性。第5节的讨论，这是基于不同的合成控制方案，提出了强调表现在这项工作中提出的综合控制方法，其次是结束语在第6部分。

2. 旋翼模型

为了描述的旋翼模型的运动情况，显然，位置坐标是选择。旋翼是建立在这一工作由主体框架B 和接地E 型如图呈现。让矢量[]'

,,x y z 表示旋翼的重心的位置和向量[]'

,,u v w 表示其在地球帧的线速度。向量[]'

,,p q r 表示旋翼的角速度在主体框架，m 表示的总质量。g 表示重力加速度。l 表示从每个转子的中心至重心的距离。

在旋翼的方向是由旋转矩阵R 给定：E B →,其中R 取决于三个欧拉角

[]'

,,φθψ，这代表了翻滚，俯仰。且,

22ππφ??

∈-

???，,22ππθ??

∈- ???

，(),ψππ∈-。

从变换矩阵[]',,φθψ到[]'

,,p q r 被给出

...10sin 0cos sin cos 0sin cos cos p q r φ

θφφθθφφθψ????

-??????????=?????

???????-????????

(1)

在旋翼的动力学模型可以由以下方程来描述

()()().

..

11...11...11......42......53.....641cos sin cos sin sin 1cos sin sin sin s cos 1cos cos 1

z x r r x x x x z x r r y y y y

x y z z z k x x u m m k y y u m m k z z u g m m I I J k l l

u I I I I I I k l J l

u I I I I I I k u I I I φθψφψφθψφψφθφψφθφθψφφθψφθψ

?=+-=--=---=-Ω+--=-Ω+--=+-??????????

???

???

????

(2)

式中，Ki 表示阻力系数和正的常数，1234r Ω=Ω-Ω+Ω-Ω，i Ω静置螺旋桨的角速度，x i ，y i ，z i 代表旋翼的转动惯量，r j 表示螺旋桨的转动惯量，1u 表示总瑟斯顿体在z 轴；2u 和3u 表示的侧倾和俯仰的输入；4u 表示偏航力矩。

()

11234u F F F F =+++，

()

124u F F =-+，

()

313u F F =-+，

()11234/u d F F F F b =-+++。其中2i i F b =Ω表示由四个转子所产生的推力和被认

为是真正的控制输入到动力系统，b 表示升力系数;d 表示的力，力矩的比例因子。

3.综合控制

与无刷电机相比，螺旋桨是很轻的，我们忽略的转动惯量所引起的螺旋桨。式（2）是 分为两部分：

.31......

.64

cos cos 1x y z z z dy k u z dx m g z m I I K u I I I φθψφθψ????-??????-??????=+??????-??????-???

????? (3)

.1..1...2...4..2.....35cos sin cos sin sin cos sin 00y z x

x x z x y y y k x x u m k m y y m I I l K l I I I u l u I I K l I I I ψψφθψψφθψφφθψθθ???-????????????==+????????-???????-????????

?-????

?-?

??????????????=+?????????-???-??????????????

(4)

其中公式（3）表示完全致动子系统（FAS ），式（4）表示的欠驱动子系统（UAS ）。对于FAS ，一个新颖的鲁棒TSMC 用于保证其状态变量在短时间内收敛到其所需的值，然后，状态变量被视为时间不变性，因此，UAS 得到简化。对于UAS ，滑模控制方法利用。特别合成控制方案在以下几节介绍。

3.1一种新型强大的台积电FAS

考虑到一个刚体旋翼的对称性，然而，我们得到x y I I =，[]'

1x z ?=和

'

..2x z ???=??

??

完全触动子系统写的是

.

12.

21111

x x x f g u d ?

=?

??=++? (5)

为了开发跟踪控制，滑动歧管被定义为

.

''21111111.

''43232322

//s s w s s m n s s w s s m n ξξ=++=++ (6)

当1d s z z =-，3d s ψψ=-，d z 和d ψ是状态变量的期望值。此外，该系数

()1212,,,w w ξξ是正的，''''1212,,,,m m n n 是正奇数整数''''1122,,m n m n <<让20s =和

40s =收敛时间的计算方法如下

()()()()()()'''111'''

222/'

1111

1''1111/'23222''222200n m n s n m n s w s n t In

w n m w s n t In

w n m ξξξξ--??

+???? ?= ?- ?

??

??

+???? ?= ?- ?

??

(7)

根据公式（5）与S2和S4的时间导数，我们有

''

11''

22.

..

../3121111...../6442323

cos cos 1m n

d m n d z z k u d s z g z w s s m m dt

k d s u w s s I I dt φθξψψξ=-++++=-+++ (8)

该控制器被设计

()()'''11111'''/22222'....//11111111212'

1'....

/24232332422'2cos cos m n m n n m n d m n n z d m m

u z g w s s s s s n m u I w s s s s s n ξεηφθ

ψξεη--??=

+++++????

??=++++??

??

(9)

这里1212,,,εεηη是积极的，1,2,12,m m n n 也是正奇数整数且1122,m n m n <<，根据控制器的状态轨迹到达的区域滑动表面240,0s s ==，

1122.

.

//''21212

42424,m n m n s s s

s s s εηεη=--=--在有限时间内，时间被定义为

()()()()()()111

222

/111

'111111

/232

'

222222

00n m n n m n s n t In n m s n t In n m εδεδεδεδ--+???

?≤-+????≤-

(10)

在

11

11.

//'

1

132

1121//,/m n m n k z m s L s ηηηδ??=+-=+ ??? ()

{

}11

.

/13max 11211/,0,/m n L k z m

s L δη=>?=≤

22

22.

//'

2264

2242//,/m n m n z k I s L s ηηψηδ??=+-=+ ??? ()

{

}/22

.

2622422max

/,0,/m n z

L K I s L ψδη=>?=≤

证明1为了说明该子系统是稳定的，在这里，我们只选择了状态变量z ，和 Lyapunov 得以理论应用。

考虑到Lyapunov 函数

212/2V s =

调用方程（8）和（9）V1的时间导数导出

()11

111

.

.

.

/122212123/2'1212/m n m n n V s s s s s k z m s s εηεη+??==--+ ?

??=-- 考虑到11m n +为正偶数而且.

10v ≤。该子系统的状态轨迹在有限时间收敛到期望的平衡点，因此，子系统是渐近稳定的。

3.2 SMC 的方式为无人机

在本节中，左右推拉的一类欠驱动系统的模式控器的细节被发现在SMC 方法的无人机系统。

1cos sin sin cos u Q m ψ

ψψψ??=?

?-??

[]'11,y Q x y -=，'..12y Q x y -??=????，[]'3y φθ='..4y φθ??=???? 在欠驱动子系统是写在一个级联的形式

.

12

.

222.

34

.43223

y y y f d y y y f g u d ==+==++ (11)

根据公式（9），我们可以选择合适的参数，以保证控制律1u 和偏航角ψ收敛到期望的/参考值在很短的时间。.

10u =时，ψ不随时间变化，然后.

0ψ=，Q 是

不随时间变化和非奇异的矩阵，作为其结果1u 是总推力和非零克服重力。

[][][][]'

1221223'

22233454

cos sin sin ,/,/,0,/,/,,,/x y x f d Q diag k m k m Qy f g diag l I l I u u u d diag lK I lK y φθφ-===??===--??

确定跟踪误差方程

111

..

2112..

.32

12...222431224123d d d d e y y e e y y e e y f

f f f

e e y y

f y y y y ?=-??==-???==-???????==-++? ?

???????

(12)

其中所述载体1d y 来表示所希望的值的矢量 滑动歧管被设计成

11223344s c e c e c e c e =+++

(13)

其中常数0i c > 由于

().

sgn s M s s λ=--，

可以得到

()()..212233412112222243232

333

sgn d

f d c e c e c e y y dt y f f f d d u f y y dt y dt y f f d M s s y λ-?????+++-???

?????

??????????????

=--???????

????????????

??

?-+++??

?????

(14)

图2 位置(),,x y z ，PID 控制和SMC

图3 坐标(),,φθψ，PID 控制和SMC