四旋翼飞行器自适应收缩反步控制

针对四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,考虑模型参数不确定的情况,提出了一种基于收缩理论与反步法的四旋翼飞行器自适应控制算法。首先,介绍了基于微分几何的收缩理论并给出了四旋翼飞行器的动力学模型;然后,提出了一种自适应收缩反步控制方法应用于飞行器跟踪期望轨迹;最后,分析了系统的增量稳定性,证明了系统是误差状态收敛的。积分反步(IB)与自适应收缩反步(ACB)的对比实验表明,应用此控制算法的飞行器系统鲁棒性更强,能够精确地完成轨迹跟踪任务。     

四旋翼飞行器模型参考自适应容错控制

针对四旋翼飞行器执行器发生故障同时存在扰动时的姿态控制问题,设计了一种基于模型参考自适应(MRAC)的容错控制器。通过分析四旋翼飞行器的动力学特性,将执行器故障以加性因子的形式加入系统模型中,得到执行器故障下的动力学模型。所设计控制器的自适应律由参考模型和执行器故障下的模型的误差信号驱动,可实现较好的姿态控制。利用Lyapunov的分析方法证明了所设计控制器的渐进稳定性,最后在Matlab下进行了仿真实验。仿真结果表明,系统能克服扰动且在执行器故障下可良好地跟踪参考姿态角,验证了该算法的可行性和有效性。     

四旋翼飞行器反步自适应PID控制

针对四旋翼姿态控制算法的优化问题,提出了一种基于反步自适应控制与经典PID控制相结合的优化控制算法。该组合算法是将由不同控制算法设计出的控制器结合使用,即将控制系统分为两个回路:姿态角及高度通道为内回路,平面通道x和y为外回路。仿真结果表明,反步自适应PID控制算法有着非常好的控制性能,与其他控制算法相比,在稳定性、响应、抗干扰性及精确度等方面都有较大的提高。     

四旋翼PIDNN控制器设计

针对传统四旋翼PID控制器参数整定困难和控制效果难以达到最优的问题,综合了传统PID控制器工程意义明确、参数整定简便以及神经网络的非线性映射和自学习的优点,构造了四旋翼神经网络PID(PIDNN)控制器。以神经网络的非线性映射特点和自学习能力优化了传统PID控制器的控制效果,借助PID控制器的构造特点,解决了神经网络层数、节点数和连接权重初值选取困难的问题。最后,通过仿真实验验证了算法的合理性和有效性。     

四旋翼飞行器的RBF网络自适应滑模控制

针对带有不确定性的四旋翼飞行器系统,提出一种滑模控制和神经网络自适应相结合的混合控制方法。该方法在滑模控制的基础上,考虑到实际系统中通常存在建模不精确、参数未知等不确定性,构造RBF神经网络在线逼近系统模型的未知函数,采用Lyapunov方法设计自适应律在线估计神经网络权值和模型未知参数,并通过Lyapunov定理验证了系统的稳定性。仿真结果表明,该方法相对于RBF神经网络的自适应PID控制,具有更短的调节时间、更小的超调量和更好的抗干扰能力,同时在模型参数发生变化的情况下,该控制器的鲁棒性能更强。     

四旋翼飞行器MAC-PID位置控制研究

针对四旋翼飞行器传统PID控制系统存在的响应慢、抗干扰能力差、超调较大等问题,将模型算法控制(MAC)引入传统PID控制系统,以改善控制系统的动静态性能。将不完全微分PID控制器与MAC控制器相结合,构成串级闭环控制系统:将不完全微分PID控制器作为内环控制,实现对横滚角和俯仰角的姿态控制;将MAC作为外环控制,实现对位置以及偏航角的控制。仿真结果表明该方法与传统PID控制相比,其超调量小、响应速度快、响应曲线平滑。     

基于反步法的四旋翼飞行器自适应滑动模态控制

针对四旋翼飞行器非线性模型系统参数不确定性和外界干扰随机性的控制问题,提出一种基于反步法的自适应滑模控制器设计方法。将四旋翼飞行器动力学模型进行简化分解为欠驱动和全驱动两个部分;对相应的不确定性进行估计,选取适当的Lyapunov函数,采用反步的方法回馈递推得到自适应滑模控制律,从而提高飞行器对外界环境变化自适应能力。依据该方法在Matlab/Simulink环境下进行控制器设计并完成仿真验证。结果表明,基于反步法的四旋翼飞行器自适应滑动模态控制方法比非自适应控制方法具有更好的适应性和鲁棒性。     

微型四旋翼飞行器TSMC控制方法研究

针对微型四旋翼飞行器非线性动力学模型下姿态稳定和速度跟踪控制问题,基于全局快速终端滑模控制(TSMC-terminal sliding mode control)方法研究了控制器设计。通过引入等价控制输入,将姿态控制通道解耦并分别设计了姿态稳定TSMC控制器。对速度跟踪和高度跟踪控制,在保证高度跟踪控制稳定的基础上设计了保证速度跟踪的耦合控制器。姿态稳定和速度跟踪仿真验证了设计控制器的性能。     

干扰观测器补偿的四旋翼飞行器自适应离散终端滑模控制

传统的离散线性滑模应用于四旋翼飞行器控制具有跟踪误差大、响应速度慢、不能有限时间收敛等问题,针对具有外干扰、系统不确定和建模误差的四旋翼飞行器,提出了干扰观测器补偿的自适应离散终端滑模控制。首先,对一类包括四旋翼飞行器模型的离散化方程推导了终端滑模控制律,引入自适应律因子减小抖振,构造了以状态变量的平方作为干扰误差收敛速度的改进型离散干扰观测器,且证明了它的稳定性,再利用改进的离散干扰观测器获取未知干扰、不确定和建模误差的高精度估计,并用于控制器设计补偿项,提高鲁棒性和减小稳态误差,再对整个系统的稳定性做了严格的证明。最后将提出方法用于四旋翼飞行器控制,Matlab仿真分析表明,干扰观测器补偿的自适应离散终端滑模控制比离散终端滑模等其他控制方法具有响应时间更快、跟踪效果更理想、鲁棒性更强等特点,实现了在不确定干扰的情况下飞行器姿态的稳定控制。     

基于观测器的四旋翼飞行器自适应滑模姿态控制

针对存在建模不确定性和外部干扰时四旋翼飞行器的姿态控制问题,提出一种基于观测器的自适应滑模控制算法。在建立四旋翼飞行器姿态误差动力学模型的基础上,通过全局渐近收敛观测器获取系统的未知状态反馈量,利用自适应滑模控制抑制系统的不确定性和干扰,构建一种基于观测器的自适应滑模姿态控制器。基于Lyapunov的稳定性分析表明,该方法的跟踪误差是一致最终有界的。数值仿真实验结果表明,与现有滑模控制方法相比,所提方法具有更好的姿态跟踪性能和较高的抗干扰鲁棒性,能有效保证飞行器的姿态跟踪控制性能。     

四旋翼飞行器设计与平稳控制仿真研究

近年来,军用和民用市场的广阔应用需求和独特的优势促进了四旋翼飞行器(Quadrotor Helicopter)的发展。根据自主设计制作的样机,建立了四旋翼飞行器的动力学和动力系统动力学模型,并把卡尔曼滤波器应用于姿态解算,PID控制器用于姿态控制。仿真和试飞结果表明,所提出的控制策略是可行的,验证了动态模型建立的有效性。     

四旋翼飞行器有限时间轨迹跟踪控制研究

为了解决四旋翼飞行器轨迹跟踪中状态量收敛速度慢、易发散等问题,提出了一种双环混合有限时间控制策略.根据Newton-Euler方程推导出四旋翼的动力学模型,再根据时间尺度原理将其分为内外两个控制环.外环采用有限时间控制策略来加快三轴位置量与偏航角的收敛速度;内环采用快速非奇异终端滑模控制技术来实现姿态角的快速收敛.搭建了四旋翼的虚拟样机,在三维仿真环境下模拟其轨迹跟踪控制效果.由仿真结果可知:与其他两种常见的控制器相比,所设计的控制器的控制精度、鲁棒性以及跟踪效果均最好,并且能较好地满足四旋翼轨迹跟踪控制的需求.     

四旋翼飞行器系统设计

四旋翼是一种具有四个螺旋桨的飞行器。文章分为两个部分介绍四旋翼的设计,第一部分介绍了四旋翼飞行控制器的硬件电路设计,主要包括STM32F103最小系统、数据采集模块、通信模块、电源管理模块和辅以调试的遥控系统的电路设计;第二部分介绍了四旋翼飞行器系统软件的设计,主要包括电源监测、姿态解算、PID控制及无线调试平台的实现。经过多次的测试与分析,该系统达到了可靠控制、飞行稳定的要求。     

四旋翼飞行器串级模糊自适应PID优化控制系统研究

四旋翼飞行器控制系统具有非线性、耦合性等特性,PID参数的整定会存在一定的难度,而且固定的参数无法适用于四旋翼面临的复杂环境。要实现四旋翼的优化控制需要进行自适应性改进。该文结合PID控制和模糊控制的优点,设计一种非线性化的串级模糊自适应PID控制系统,分别在外环角度、内环角速度控制器中加入模糊自适应PID控制器,增强系统的自适应性和准确性。并且针对四旋翼存在高频干扰的特性,提出在角速度模糊自适应PID控制器的微分环节后加入一阶惯性环节,不完全微分提高了微分控制抗干扰能力。通过Matlab仿真实验对比结果表明,所设计方法响应速度快、超调量小,且增强了四旋翼控制的自适应能力和鲁棒性。     

四旋翼飞行器速度自抗扰控制

为了补偿四旋翼飞行器的参数不确定性和扰动,提出一种四旋翼飞行器速度的线性自抗扰控制方法.首先,分析了四旋翼飞行器的动力学模型,质心在惯性坐标系中的z轴线速度采用一阶自抗扰控制,x轴和y轴线速度采用比例加前馈控制,并利用李雅普诺夫函数证明了三轴速度环控制系统渐近稳定.然后,分析虚拟姿态角度求解,采用二阶线性自抗扰控制实现...     

四旋翼飞行器双环条件积分滑模控制

针对存在阵风干扰及未建模特性下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制,基于非线性滑模控制技术,结合条件积分思想及Lyapunov稳定性理论设计了一种位姿双环条件积分滑模控制器.在获得四旋翼非线性动力学模型后对其进行线性化,简化被控对象数学模型,提高控制器设计效率.利用条件积分滑模控制律设计了位置环和姿态环的轨迹跟踪控制器,实现了控...     

四旋翼飞行器的容错姿态稳定控制

在近十年间, 飞行系统的可靠性问题得到了飞行控制领域越来越多的重视。以一种全新的垂直起降飞行器——四旋翼飞行器作为研究对象, 设计具有高可靠性的姿态稳定控制系统, 为了补偿执行机构发生故障给飞行控制品质带来的影响, 一种主动容错技术将被应用于姿态控制系统的设计中, 主要设计了一个基于状态观测器技术的鲁棒故障检测环节与一个可容错重构的姿态控制器, 在设计控制系统的同时, 还对于故障检测的鲁棒性与快速性、重构控制系统的稳定性进行了理论分析。最后通过数值仿真, 对容错控制系统中各个环节的效果进行了验证。     

四旋翼飞行器线性自抗扰控制

针对Qball2四旋翼无人飞行器欠驱动、参数不确定、强耦合等特性,采用一种跟踪微分器(TD)与线性自抗扰算法(LADRC)结合的控制方法,LADRC包括线性组合环节(PD)和线性扩张状态观测器(LESO)两个部分。LESO对系统内扰和外扰进行实时观测和动态补偿,从而将复杂的Qball2系统简化为串联积分形式。LADRC参数整定简单,而TD的引入使系统具有良好的快速性和鲁棒性。仿真和Qball2平台实验结果表明,所设计的控制器能满足系统的动态性能和稳态性能要求。     

微型四旋翼飞行器硬件设计和控制

四旋翼飞行器以其优良的气动能力与便携性越来越受到学术界的重视,但是市面上成熟的四旋翼飞行器体积较大且价格昂贵,本设计旨在解决目前民用四旋翼飞行器价格高昂,体积大的问题,利用小功率电机与STM32系列微控制器完成四旋翼的基本系统搭建,做到四旋翼的基本功能,并且可以通过上位机控制与规划四旋翼的飞行路线与方案。