基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统研究与设计 .pdfVIP

摘要

小型四旋翼无人飞行器由于具有精确悬停、垂直起降以及机械结构简单等特

点，已经成为众多研究机构的研究热点，无论是在军事领域，还是在民用领域，

四旋翼无人机都有着广泛的应用。由于四旋翼无人飞行器是一个具有6自由度和

4个控制输入的欠驱动系统，其数学模型具有强耦合、非线性、多变量等特点，

以及建模不精确和外部干扰等不确定因素，均使得飞行控制复杂化。因此本文以

反步法为基础，结合不同策略，研究与设计了四旋翼飞行器的控制系统，并利用

仿真实验验证与分析了所设计系统的飞行性能。

首先，将四旋翼无人飞行器看作刚体，选取合适的坐标系，分析了四旋翼无

人飞行器空气动力学特性和飞行原理，在此基础上，推导并建立四旋翼飞行器的

数学模型。

其次，在不考虑不确定因素的情况下，详细分析了基于反步法的四旋翼无人

飞行器飞行控制系统的设计。设计过程中，将四旋翼的控制系统结构分为位置环

路和姿态环路分别进行设计。

接着，针对飞行器姿态环路存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法

和RBF神经网络的控制策略。利用RBF神经网络对任意非线性连续函数具有逼

近的特点，在控制系统设计过程中在线估计出复合干扰，同时对于逼近误差进行

了补偿。

最后，针对在位置和姿态环路均存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反

步法和ESO的控制策略。为避免反步设计过程中出现“微分爆炸”现象，提出

了动态面策略，以及为提高系统鲁棒性，采用了滑模面；为减轻控制系统的复杂

计算，对于系统中出现的复合干扰项，提出了ESO方法对其在线实时估计，并

在控制律设计中实时补偿。

关键词：四旋翼无人飞行器，反步法，RBF神经网络，扩张状态观测器，复

合干扰，轨迹跟踪

I

ABSTRACT

Duetoitsadvantagessuchasprecisehovering,verticaltakingoffandlanding

(VTOL),andsimplemechanicalstructure,thequadrotorunmannedaerial

vehicle(UAV)hasbecomehotspotintheunmannedaerialvehiclearea,andwhetherin

input.Themathematicalmodelhasthecharacteristicsofstrongcoupling,nonlinear,

multivariable,andmodelingimprecisionanduncertaintyfactorssuchasexternal

throughthesimulationtothecontrolsystemanalysisandverification.

Firstly,thispapertakesthevehicleasarigidbody,selectstheappropriate

coordinatesystem,andanalyzestheaerodynamiccharacteristicandtheflying

principle.Onthisbasis,themathematicalmodelofthevehicleisderivatedand

established.

Secondly,withoutconsideringvariousuncertainfactors,thispaperintroducesin

detailtheflightcontrolsystemdesignbasedonthebackstepping.Inthedesign

process,thewholecontrolstructurecanbedividedintopositionloopcontroland

attitudelooptodesignrespectively.

Thirdly,fortheaircraftattitudeloopundertheexistenceofthecompound

disturbance,thispape