四旋翼直升機姿態(tài)運動控制研究張家琪

1、四旋翼直升機姿態(tài)運動控制研究 答辯人：張家琪 導 師：鄭艷 副教授1主要內容緒論四旋翼直升機模型建立基于滑模變結構的控制器設計基于Backstepping的控制器設計結論與展望2緒論3研究背景及意義圖1.1四旋翼直升機工作原理圖4國際：遙控航模四旋翼飛行器小型四旋翼飛行器微型四旋翼飛行器國內：國防科技大學機器人實驗室北京理工大學的智能機器人研究所上海交通大學微納米科學技術研究院國內外研究現(xiàn)狀5PID控制多飽和控制(Nested Saturation Control)滑?？刂?Sliding Mode Control)反步法(Backstepping)四旋翼直升機控制方法 6四旋翼直升機模型建立

2、7試驗平臺工作原理和建模方法建模方法模擬姿態(tài)非線性模型建立8三自由度四旋翼盤旋系統(tǒng)三自由度四旋翼盤旋系統(tǒng)是由Quanser公司生產的四旋翼直升機本體動力模塊數(shù)據采集控制卡PC機圖 2.1 三自由度四旋翼盤旋系統(tǒng)本體9六自由度四旋翼無人機工作原理 圖2.2 垂直位置控制圖2.3 俯仰/滾轉姿態(tài)控制圖2.4 偏航姿態(tài)控制10非線性模型建立F24FF31FBzx ylmgXYZEOO坐標轉換矩陣慣性坐標系 物體坐標系 坐標轉換矩陣 按照 x，y，z 軸的順序進行旋轉 圖2.5 物體坐標系B和地面坐標系E間的關系11XxzYyYyXxZzzYyXxZZ圖2.6滾動、俯仰和偏航示意圖(2.1)XxzYy

3、YyXxZzzYyXxZZ圖2.6滾動、俯仰和偏航示意圖(2.1)12歐拉角與體坐標系下角速度 通過歐拉定理，應用歐拉角，得歐拉角與體坐標系下角速度 之間有如下關系，也可以寫成，(2.2)(2.3)13四旋翼直升機的運動可分解為 1. 質心運動（也叫平移運動） 2. 相對質心的旋轉運動（亦稱旋轉運動）平移運動 物體坐標系下直升機的受力(2.4)14由牛頓第二定律可知 ，地面坐標系下x，y，z的三個方向的線位移運動方程如下，(2.5)由式(2.1)和(2.4),得平移運動的運動學方程,(2.6)15根據三自由度四旋翼盤旋系統(tǒng)的受力情況，可得姿態(tài)運動學模型,姿態(tài)運動圖2.8 系統(tǒng)動力學示意圖(2.

4、7)16定義被控對象控制量為綜合式(2.2)(2.8)組成了四旋翼直升機的全狀態(tài)非線性狀態(tài)方程，其狀態(tài)量為,全狀態(tài)非線性方程可表示為如下非線性形式, (2.8)(2.9)(2.10)17其中， (2.11)18基于滑模變結構的控制器設計19欠驅動系統(tǒng)(underactuated system)成為非線性控制領域的熱點 欠驅動特點，可由較少的控制輸入確定其在比控制輸入空間維數(shù)大的位形空間內的運動 欠驅動難點，直接激勵部分的自由度和欠驅動部分的自由度相互間是非線性耦合的。欠驅動系統(tǒng) 20滑模控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計全驅動 z&欠驅動滑模變結構在欠驅動系統(tǒng)應用飛行控制系統(tǒng)設計圖3.1 控制系統(tǒng)結構圖

5、21簡化的動力學模型 (3.1)滑模面設計(3.2)22趨近律設計(3.3)滑模變結構控制器設計(3.4)欠驅動通道狀態(tài)方程23(3.5)控制器為(3.6)24(3.7)同理，全驅動通道控制器為(3.8)(3.9)25仿真研究圖3.2狀態(tài) x 響應曲線圖3.3狀態(tài) y 響應曲線圖3.4狀態(tài) z 響應曲線模擬的平移運動26仿真研究 圖3.5俯仰 角曲線 圖3.6滾轉角 曲線圖3.7偏航角 曲線姿態(tài)運動27基于Backstepping的控制器設計28 耦合問題是欠驅動系統(tǒng)中必然存在的問題 動態(tài)耦合 操縱耦合 Backstepping設計方法 主要優(yōu)點 它通過反向設計，達到系統(tǒng)化、結構化 設計的結果

6、保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，處理系統(tǒng)的非線 性特性時提供了更大的靈活性 ，不進行線性化 29欠驅動欠驅動通道的控制系統(tǒng)設計 圖4.1欠驅動系統(tǒng)結構圖30基于Backstepping的控制器設計 模型簡化 ， 通道對式(4.1) 小角度假設，得(4.1)(4.2)31Backstepping控制器設計(4.3)32(4.4) 通道 33全驅動通道(4.5)(4.6)34仿真研究 圖4.2狀態(tài) x響應曲線圖4.3狀態(tài) y響應曲線圖4.4狀態(tài) z響應曲線模擬平移運動35仿真研究 圖4.5俯仰角 曲線圖4.6滾轉角 曲線圖4.7偏航角 曲線姿態(tài)運動36結論與展望37結 論試驗平臺模擬實際四旋翼直升機姿態(tài)運動滑模變結構對