论文总字数：38352字

摘 要

旋翼无人飞行器，由于其机动性强、制作成本低、控制简易、稳定性高等优点，有着诸多的应用前景。民用方向有智能机械、仓库智能管理、道路监管和航拍等等，同时，在现代化军事战争中，旋翼飞行器也有着越来越多的应用。在诸多的应用背景下，多旋翼式飞行器的相关研究已经成为国内外的热门课题，研究方向主要有硬件设计和控制算法设计，旨在构建更加合理的飞行器结构和设计更加优良的控制方法，解决飞行器主要面临的功耗与续航问题、控制精度问题和抗干扰问题。

本文取四旋翼作为研究对象，进行控制方法设计，旨在实现飞行器抗干扰的定点飞行。四旋翼系统是一个六自由度的欠驱动系统，具有强非线性和强耦合性。在现如今的四旋翼研究中，双闭环PID控制方法是一种普遍认知的控制方法。根据系统模型特性将控制对象分为三个姿态角和三个位置量，运用内外环嵌套的方式解决通道耦合问题。这种方法在无干扰条件下可以完成较为优良的控制，但是抗干扰能力有明显的缺陷。滑模控制是一种具有基于不连续状态反馈的非线性控制方法。滑模控制方法具有受参数变化和扰动影响小、抗干扰能力强等优点。论文将滑模控制应用于四旋翼飞行器姿态控制问题，提出了基于滑模控制的四旋翼飞行器姿态控制方案，并且给出了严格的稳定性分析。仿真对比结果表明了该方法的有效性。

关键词：四旋翼飞行器；定点飞行；姿态控制；双闭环PID；滑模控制

THE RESEARCH OF FOUR ROTOR AIRCRAFT

ATTITUDE CONTROL SYSTEM

Abstract

The rotor unmanned aerial vehicle, due to its high maneuverability, low manufacturing cost, simple control, high stability and so on, it has a lot of application prospects. The civilian direction is intelligent machines, intelligent warehouse management, supervision of roads and aerial photography and so on. At the same time, in modern military war, rotary wing aircraft also has more and more applications. Because of many applications, the research of multi rotor aircraft becomes a hot topic in the domestic and foreign research. The research directions mainly include the hardware design and control algorithm design, building an aircraft structure, designing more reasonable and more excellent control methods, solving the issues of aircraft power and battery life issues, control precision and anti-interference.

The research object of this paper is the four rotor aircraft. The research direction is the control method design. The goal is to achieve the aircraft anti-disturbance of the fixed-point flight. Four rotor aircraft system is an under-actuated system having six degree of freedom with strong nonlinearity and strong coupling. Double closed loop PID control method is a common cognitive control method in the four rotor study. According to the characteristics of the system model, the control objects are divided into three pose angles and three positions, and the inner and outer loops in series connection are used to solve the channel coupling problem. This method can achieve excellent control performances in the condition of no interference, but it has obvious defects when the hypothesis is unacceptable. Sliding mode control is a kind of discontinuous feedback based nonlinear control. The sliding mode control method has the advantages of small parameter variation and disturbance, a strong robustness against disturbances, and so on.

KEYWORDS: Four rotor aircraft; Fixed point flight; Attitude control; Double closed loop PID; Sliding mode control.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 四旋翼飞行器国内外研究现状 2

1.2.1 相关实物 2

1.2.2 控制方法研究 3

1.3 本课题研究内容 4

第2章 四旋翼飞行器相关基本原理与模型建立 5

2.1 四旋翼飞行器机械结构 5

2.2 四旋翼飞行器系统工作原理 5

2.2.1 垂直运动原理 5

2.2.2 前后运动原理 6

2.2.3 侧向运动原理 6

2.2.4 翻滚运动原理 7

2.2.5 俯仰运动原理 7

2.2.6 偏航运动原理 8

2.3 系统建模 8

2.3.1 坐标系建立 8

2.3.2 动力学分析 11

2.3.3 四旋翼飞行器模型建立 14

第3章 两种控制器设计 20

3.1 模型分析 20

3.2 基于双闭环PID控制的四旋翼飞行器控制器设计 21

3.2.1 PID控制原理 21

3.2.2 双闭环PID控制器设计 22

3.3 基于滑模控制的四旋翼飞行器控制器设计 23

3.3.1 滑模控制原理 23

3.3.2 滑模控制器设计 28

3.3.3 滑模控制器抗干扰能力分析 31

第4章 MATLAB-Simulink仿真搭建与结果分析 33

4.1 仿真平台搭建 33

4.2 飞行器固定参数选取 36

4.3 PID控制器仿真实验 36

4.3.1 PID控制器仿真结果 36

4.3.2 PID控制器仿真结果分析 40

4.3.3 PID参数整定 40

4.4 滑模控制器仿真实验 41

4.4.1 滑模控制器仿真结果 41

4.4.2 滑模控制器仿真结果分析 45

4.4.3 滑模控制器参数整定 46

4.5 仿真总结 46

第5章 总结与展望 47

参考文献 48

致谢 50

绪论

课题背景与意义

1903年莱特兄弟制作了世界上第一架固定翼飞机，自那以后，航空开始受人们关注并且有着迅速的发展。时至今日，载人飞行器的发展已经趋于成熟，但是受用途限制，载人飞行器为固定翼飞行器，制作成本高昂、操作复杂、体积庞大的缺点使得这种大型固定翼飞行器不能应用于其他方向。与此同时，无人飞行器越来越受到人们的重视。它们机动性高且成本低廉，加上小体积的特点，使得无人飞行器在很多应用上占据了很大的优势。无人飞行器可以分为旋翼式无人飞行器和固定翼式无人飞行器^[1]，旋翼式飞行器机动性强、结构简单，成为无人飞行器研究的主要方向。

旋翼式飞行器又称多旋翼飞行器，根据其转子个数进行命名。如今的旋翼式飞行器以四旋翼和六旋翼为多数，其中四旋翼飞行器最为常见且应用最为广泛。

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