四旋翼直升机姿态运动控制研究

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,四旋翼直升机姿态运动控制研究,答辩人：张家琪,导 师：郑艳 副教授,主要内容,绪论,四旋翼直升机模型建立,基于滑模变结构的控制器设计,基于,Backstepping,的控制器设计,结论与展望,绪论,研究背景及意义,图四旋翼直升机工作原理图,国际,：,遥控航模四旋翼飞行器,小型四旋翼飞行器,微型四旋翼飞行器,国内,：,国防科技大学机器人实验室,北京理工大学的智能机器人研究所,上海交通大学微纳米科学技术研究院,国内外研究现状,PID,控制,多饱和控制,(Nested Saturation Control),滑模控制,(Sliding Mode Control),反步法,(,Backstepping,),四旋翼直升机控制方法,四旋翼直升机模型建立,试验平台,工作原理和建模方法,建模方法,模拟,姿态,非线性模型建立,三自由度四旋翼盘旋系统,三自由度四旋翼盘旋系统,是由,Quanser,公司生产的,四旋翼直升机本体,动力模块,数据采集控制卡,PC,机,图,2.1,三自由度四旋翼盘旋系统本体,六自由度四旋翼无人机工作原理,图,垂直位置控制,图,2.3,俯仰,/,滚转姿态控制,图,2.4,偏航姿态控制,非线性模型建立,F,2,4,F,F,3,1,F,B,z,x,y,l,mg,X,Y,Z,E,O,O,坐标转换矩阵,惯性坐标系 物体坐标系,坐标转换矩阵,按照,x,，,y,，,z,轴的顺序进行旋转,图,2.5,物体坐标系,B,和地面坐标系,E,间的关系,X,x,z,Y,y,Y,y,X,x,Z,z,z,Y,y,X,x,Z,Z,图,2.6,滚动、俯仰和偏航示意图,(2.1),X,x,z,Y,y,Y,y,X,x,Z,z,z,Y,y,X,x,Z,Z,图,2.6,滚动、俯仰和偏航示意图,(2.1),欧拉角与体坐标系下角速度,通过欧拉定理，应用欧拉角，得欧拉角与体坐标系下角,速度 之间有如下关系,，,也可以写成，,(2.2),(2.3),四旋翼直升机的运动可分解为,1.,质心运动（也叫平移运动）,2.,相对质心的旋转运动（亦称旋转运动）,平移运动,物体坐标系下直升机的受力,(2.4),由牛顿第二定律可知,，,地面坐标系下,x,，,y,，,z,的三个方向,的线位移运动方程如下，,(2.5),由式,(2.1),和,(2.4),得平移运动的运动学方程,(2.6),根据三自由度四旋翼盘旋系统的受力情况，可得姿态运动学模型,姿态运动,图,2.8,系统动力学示意图,(2.7),定义被控对象控制量为,综合式,(2.2)(2.8),组成了四旋翼直升机的全状态非线性状态方程，其状态量为,全状态非线性方程可表示为如下非线性形式,(2.8),(2.9),(2.10),其中，,(2.11),基于滑模变结构的控制器设计,欠驱动系统,(,underactuated,system),成为非线性控制领域的热点,欠驱动特点，可由较少的控制输入确定其在比控制输入空间维数大的位形空间内的运动,欠驱动难点，直接激励部分的自由度和欠驱动部分的自由度相互间是非线性耦合的。,欠驱动系统,滑模控制系统设计,控制系统设计,全驱动,z,&,欠驱动,滑模变结构在欠驱动系统应用,飞行控制系统设计,图,3.1,控制系统结构图,简化的动力学模型,(3.1),滑模面设计,(3.2),趋近律设计,(3.3),滑模变结构控制器设计,(3.4),欠驱动通道状态方程,(3.5),控制器为,(3.6),(3.7),同理，全驱动通道控制器为,(3.8),(3.9),仿真研究,图,3.2,状态,x,响应曲线,图,3.3,状态,y,响应曲线,图,3.4,状态,z,响应曲线,模拟的平移运动,仿真研究,图,3.5,俯仰 角曲线,图,3.6,滚转角 曲线,图,3.7,偏航角 曲线,姿态运动,基于,Backstepping,的控制器设计,耦合问题是欠驱动系统中必然存在的问题,动态耦合,操纵耦合,Backstepping,设计方法,主要优点,它通过反向设计，达到系统化、结构化,设计的结果保证了系统的稳定性，处理系统的非线,性特性时提供了更大的灵活性,，不进行线性化,欠驱动,欠驱动通道的控制系统设计,图,4.1,欠驱动系统结构图,基于,Backstepping,的控制器设计,模型简化 ， 通道,对式,(4.1),小角度假设，得,(4.1),(4.2),Backstepping,控制器设计,(4.3),(4.4),通道,全驱动通道,(4.5),(4.6),仿真研究,图,4.2,状态,x,响应曲线,图,4.3,状态,y,响应曲线,图,4.4,状态,z,响应曲线,模拟平移运动,仿真研究,图,4.5,俯仰角 曲线,图,4.6,滚转角 曲线,图,4.7,偏航角,曲线,姿态运动,结论与展望,结 论,试验平台模拟实际四旋翼直升机姿态运动,滑模变结构对欠驱动通道的设计,针对欠驱动通道之间耦合性和实际四旋翼工作理，设计基于,Backstepping,控制器的子通道,展 望,1.,模型精确化,2.,控制器优化及实现,3.,实际试验模拟,谢 谢,