四旋翼飞行器姿态控制算法的研究

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1、分类号：密级：UDC：学号：416118713094南昌大学专业学位研究生学位论文四旋翼飞行器姿态控制算法的研究StudyofAttitudeControlAlgorithmForQuad-rotors方武义培养单位（院、系）：信息工程学院电气与自动化系指导教师姓名、职称：万晓凤教授专业学位种类：工程硕士专业领域名称：控制工程论文答辩日期：2015年5月31日答辩委员会主席：评阅人：2015年月日、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也

2、不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名（手写）：方#乂签字日期••>丨1年6月个日二、学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，同意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电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权北京万方数据股份有限公司和中国学术期刊（光盘版）电子杂志社将本学位论文收录到《中国

3、学位论文全文数据库》和《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务，同意按“章程”规定享受相关权益。学位论文作者签名（手写>:方(¥%)：/?签字日期：年t月屮日签字日期:〇^^年知Lp日论文题目姓名学号4U"S)丨州论文级别博士□硕士■院/系/所专业满糾1鲜.联系电话Email通信地址(邮编)：备注：■公开□保密（向校学位办申请获批准为“保密”，______年_月后公开)摘要摘要随着低空领域的开放，多旋翼飞行器作为一种依靠调节直流电机转速直接控制飞行的非传统无人机，因其制作简单、控制灵活，并且能够适应各种复杂的地理环境和气象，在军事和民用领域得

4、到了广泛的应用。其次，作为一个典型的欠驱动（输出多于输入）、强耦合的非线性系统，将其作为科学研究的对象也是极具意义。本文选取以四个旋翼作为输入的旋翼无人机为研究对象，在建立和分析了四旋翼飞行器的数学模型的基础上，针对飞行器的姿态稳定性控制问题，分别采用了线性和非线性的控制方法，设计了三种姿态控制算法，并通过仿真实验进行了验证。本文主要的研究工作如下：1、通过研究四旋翼飞行器的结构以及控制原理，本文采用理论推导建模方法（机理建模方法），根据牛顿第二定律和欧拉方程建立系统的数学模型，且针对飞行器的姿态控制稳定性问题，在相关的假设条件下对模型进行了一定的简化，为姿态控制算法的研究奠定了基

5、础。2、根据四旋翼飞行器的数学模型，采用串级PID控制算法设计了飞行器系统的高度姿态控制器。运用Matlab/simulink搭建了仿真平台，仿真实验结果表明该控制器的有效性。3、针对系统的欠驱动特性和系统动态特性的影响，为了提高飞行器的控制效率和精度，本文采用基于反步法的滑模控制设计了四旋翼飞行器的姿态控制器，且经过仿真实验验证所设计控制器的有效性和可行性。仿真结果表明，滑模控制算法的控制效果优于串级PID控制，具有一定的鲁棒性。4、为了模拟实际的飞行环境，考虑外界诸多的干扰因素，提出了基于自适应反步法的滑模控制，仿真结果表明所设计的控制器具有良好的控制效果，且抗干扰能力强，具有

6、较强的鲁棒性。关键字：四旋翼飞行器，数学模型，串级PID控制器，滑模控制，自适应滑模控制IAbstractABSTRACTWiththeopeningupofthelowaltitudeareas,rotoraircraftasakindofrelyingonthedcmotorspeedregulatingcontrolanon-traditionalunmannedaerialvehicle(UAV)flightdirectly,becauseofitssimple,flexiblecontrol,andtheabilitytoadapttothecomplexgeograph

7、icalenvironmentandweather,hasbeenwidelyusedinmilitaryandcivilfield.Secondly,asatypicalunder-actuated(outputmorethaninput),strongcouplingnonlinearsystem,astheobjectofscientificresearchisalsoverymeaningful.Thisarticleselectsfourrotorasthe