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基于模型预测控制的无人机位姿与编队控制算法.pdf

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哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

四旋翼飞行器由于其垂直起降、易于操作等特点,在民用和军用领域都有

广泛的应用,但其在控制方面面临着非线性特性、欠驱动性、耦合效应、风干

扰和参数不确定性等挑战。由于其非线性特性和欠驱动性,控制设计和分析变

得复杂,而耦合效应会导致控制一个自由度时对其它自由度产生影响。风干扰

和参数不确定性也会对飞行器的性能和控制精度产生影响。因此,解决这些问

题需要综合考虑多个方面,设计相应的控制算法和策略,以实现稳定和精确的

飞行控制。本文以四旋翼无人机为算法设计对象,针对单机的位姿控制与多机

编队问题,开展了单无人机的位姿控制算法与多无人机的编队控制算法的研究,

主要研究内容如下:

首先,为了便于对无人机的姿态和位置控制进行分析,介绍了描述无人机

运动的相关坐标系并建立了其转换关系,建立了四旋翼无人机在风场环境下的

动力学模型。对风干扰下的四旋翼无人机的受力进行分析,然后根据牛顿-欧拉

方程推导出四旋翼无人机的动力学模型,为接下来的研究工作奠定了模型基础。

其次,针对单无人机的姿态与位置控制问题,研究了单无人机的位姿控制

算法,姿态控制部分采用参数自整定的自抗扰控制方法,引入扩张状态观测器

对扰动进行实时观测,并对控制量输出环节进行参数自整定。对于位置控制,

首先采用线性化方法简化无人机的系统模型,然后设计模型预测控制器实现位

置跟踪,并设计扩展状态观测器预测向量以消除不确定干扰。最后通过仿真和

飞行实验分析方法的有效性。

最后,针对多四旋翼无人机编队在飞行过程中队形形成与保持问题,采用

分布式模型预测控制方法,在第3章单无人机模型预测控制的基础上,通过引

入自身和相邻无人机之间的预测位置差保持期望队形,并通过每架无人机预测

的位置使用人工势场法来避免无人机之间的碰撞。通过仿真来验证改进的分布

式模型预测控制的有效性。

关键词:四旋翼无人机,自抗扰控制,模型预测控制,分布式控制

I

哈尔滨工业大学硕士学位论文

ABSTRACT

Quadrotoraircrafthasbeenwidelyusedincivilandmilitaryfieldsduetoits

verticaltakeoffandlanding,easyoperationandothercharacteristics,butitfaces

challengesincontrolsuchasnonlinearcharacteristics,under-actuation,coupling

effects,winddisturbanceandparameteruncertainty.Duetoitsnonlinear

characteristicsandunderactuatednature,controldesignandanalysisbecome

complex,andcouplingeffectscanaffectotherdegreesoffreedomwhen

controllingonedegreeoffreedom.Windinterferenceandparameteruncertainty

canalsohaveanimpactontheperformanceandcontrolaccuracyofaircraft.

Therefore,solvingtheseproblemsrequirescomprehensiveconsiderationof

multipleaspectsanddesigningcorrespondingcontrolalgorithmsandstrategiesto

achievesta

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