四旋翼无人机飞行控制方法研究

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文四旋翼无人机飞行控制方法研究作者姓名：韩雨桐指导教师：杨光红教授马宏军副教授东北大学信息科学与工程学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：控制理论与控制工程论文提交日期：2014年6月论文答辩日期：2014年6月学位授予日期：2014年7月答辩委员会主席：王明顺评阅人：董久祥、黄胜娟东北大学2014年6月万方数据AThesisinControlTheoryandControlEngineeringFlightControlMethodDesignofQuadrotorSystemByHanYu

2、tongSupervisor：ProfessorYangGuanghongAssociateProfessorMaHongjunNortheasternUniversityJune2014万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日期：扣够衫、萨／学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导

3、教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：两年d导师签名：丧k．签字日期：抄t乒．衫彳签字日期：∥≯．彳，名半年闫N形捌^¨■t

4、r0『口哗年弘‘名一签者口作年文半论，t学万方数据四旋翼无人机飞行控制方法研究摘要四旋翼无人机是一种多旋翼式垂直起降机VTOL(VerticalTakeOffandLanding)，与传统的旋翼机相

5、比较，它具有灵活性强、结构简单、成本低廉等优点，在军事、民用以及科研教育等领域都有着广泛的应用。四旋翼飞行器是一种六自由度、四输入的欠驱动系统，具有非线性、强耦合、多变量的动力性特性，吸引了大量国内外的学者投入到其研究中。本文主要针对四旋翼飞行器的非线性建模和飞行控制问题进行了学习研究，主要研究内容及研究成果如下：首先，对四旋翼飞行器国内外研究现状、应用领域、关键技术及发展前景进行了详细地描述。其次，介绍了四旋翼的飞行原理，建立了描述四旋翼飞行器飞行的机体坐标和地面坐标系，并给出两坐标转换矩阵。在一系列合理假设的基础上，根据牛顿．欧拉

6、方程，建立了四旋翼飞行器的动力学方程。对次要影响因素忽略以简化模型。引入四个控制量，将四旋翼飞行器的控制分解为可分别控制的四个通道，以方便设计控制器。再次，针对四旋翼飞行器简化模型的特点，将飞行器分为姿态和位置两个回路进行控制设计。姿态子系统独立于位移子系统，首先对姿态子系统的控制进行了研究。分别使用PID控制算法，基于Backstepping的PID控制算法及基于Backstepping的滑模控制算法对姿态子系统进行控制设计。并在Matlab的Simulink中进行仿真，以检验控制算法的有效性。最后，设计整体系统的控制器，将姿态和位

7、移控制器结合起来，设计成内外环的形式，四输入分别为期望的三个位移信号和偏航角信号，三个位移信号作为位移控制器的输入，位移控制器的输出经过转换作为姿态控制器的输入，采用PID、基于Backstepping的PID控制和基于Backstepping的滑模控制将整体在Simulink中进行仿真。关键词：四旋翼：姿态控制；位移控制；PID；反步法；滑模控制万方数据FlightControlMethodDesignofQuadrotorSystemAbstractQuadrotor,asapopulartypeofUAV,isakindofVe

8、rticalTake—OffandLanding(VTOL)vehiclewhichcouldbelaunchedfromanyplaceandhoveraboveandtarget．Incomparisonwithclassicalhelicoptersconventionallyequippedwithamainrotorandatailrotor,quadrotorswithhigherversatilityandmanoeuvrability,largerpayloadcapacityandlowercostpossessas

9、implerstructuretocarryoutvarioustypesoftaskssuchasmilitaryapplication，rescue，near-areasurveillanceandSOon．Quad