基于dmoc的四旋翼飞行器轨迹优化与控制算法研究

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1、基于DMOC的四旋翼飞行器轨迹优化与控制算法研究王丹2015年1月中图分类号：V249UDC分类号：629.7基于DMOC的四旋翼飞行器轨迹优化与控制算法研究作者姓名王丹学院名称宇航学院指导教师张卫忠答辩委员会主席单家元申请学位工学硕士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月22日ADMOC-basedResearchonTrajectoryOptimizationandControlAlgorithmsCandidateName：DanWangSchoolorDepartment:SchoolofAreospaceEngineeringFacu

2、ltyMentor:WeizhongZhangChair,ThesisCommittee：JiayuanShanDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：AerospaceScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jaunary22,2015北京理工大学硕士学位论文摘要四旋翼飞行器是典型的集强耦合、非线性、多变量等特性为一体的旋翼式无人机。目前，针对该飞行器的研究涵盖系统结构设计、模型建立、控制律设计和路径规划等。其中，为了实现飞行器在实际情

3、况中规避危险以完成搜索或跟踪任务，并结合自身负载的局限性，能够事先规划好尽量短时间的飞行轨迹并进行准确地跟踪控制就显得尤为重要。由于四旋翼自身的特性以及飞行任务的复杂性，为了进一步提高算法地适用性、收敛速度以及可解性，本文针对四旋翼飞行器，在现有轨迹优化算法和跟踪控制算法的基础上进行适当改进，并通过大量的仿真实验加以验证分析。主要研究内容如下：1.建立四旋翼飞行器模型。在合理假设的基础上，建立双坐标系。依据飞行器特性分析，结合牛顿第二定理以及欧拉方程，推导系统相应的动力学方程。同时，为了后续轨迹优化及控制器设计工作的顺利进行，对数学模型进行了线性化和解耦处理。2.提出借助于辅助初值

4、猜测策略（AuxiliaryInitialGuessStrategy,AIGS）的MDMOC(Multi-phaseDiscreteMechanicsandOptimalControl)轨迹优化算法。通过传统DMOC方法、高斯伪谱法(GaussPseudo-spectralMethod,GPM)和一种借助于AIGS结合分段轨迹优化策略的MDMOC方法的综合对比，得出：就四旋翼飞行器问题而言，GPM要优于DMOC法，借助于AIGS的MDMOC在优化效率和程序化方面优于GPM；同时，MDMOC在保证一定精确度的同时，更加适用于复杂飞行要求和飞行环境中使用。因此，采用MDMOC将作为下一

5、部分生成控制器设计中最优参考输入轨迹的优化方法。3.设计飞行器自适应轨迹跟踪控制系统。四旋翼飞行器复杂的动力学特性和诸多的不确定性使得跟踪控制器的设计变的更加困难。因此，分别采用经典PD控制算法和一种质量未知情况下基于反步法的滑模变结构自适应控制算法设计轨迹跟踪控制器。仿真结果显示，两种方法均能实现较为稳定的飞行和轨迹跟踪。具体的，在系统达到稳定所需的上升时间，稳定时间以及鲁棒性方面，基于反步法的滑模变结构自适应算法具有较大的改善，更加适用。关键词：四旋翼飞行器；轨迹优化；跟踪控制；MDMOC；辅助初值猜测策略；Gauss伪谱法I北京理工大学硕士学位论文AbstractQuadro

6、torisakindoftypicalrotoraircraftwhichmodelisstrongcoupling,nonlinear,multivariableandunder-actuated.Atpresent,themainresearchinterestsconsistofsystemstructuredesign,modeling,controlandpathplanning,etc.Inpractice,inordertorealizeriskaversiontosearchortrackingwiththelimitationsofitsload,itispart

7、icularlyimportanttopreplanaminmumtimetrajectoryanddesigntheaccuratetrackingcontroller.Duetoitsfeaturesandthecomplexityofthemission,inthispaper,weproposesomeappropriateimprovementsonthebasisoftheexistingtrajectoryoptimizationalgorithmand