四旋翼无人机自主飞行控制方法设计研究综述 .pdfVIP

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目录

第一章选题背景和意义1

1.1选题背景1

1.2国内外研究现状及发展动态2

1.3四旋翼飞行控制器设计方法7

1.4论文选题的意义8

第二章研究方案10

2.1研究目标10

2.2研究内容10

2.2.1四旋翼飞行器的基本结构和飞行原理10

2.2.2四旋翼无人机自主飞行的控制15

2.2.4四旋翼无人机稳定控制算法实用性分析17

2.3拟解决的关键问题18

2.3.1无人机数学模型的建立与仿真18

2.3.2四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真19

2.4拟采取的研究方法及技术路线20

2.4.1四旋翼无人机数学模型的建立20

2.4.2四旋翼自主飞行抗扰控制器的设计与仿真22

2.5可行性分析25

第三章预期研究成果与计划安排27

3.1预期研究成果27

3.2计划安排27

参考文献28

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第一章选题背景和意义

1.1选题背景

无人机（UnmannedAerialVehicles,UAV），通过在机体内装备的自主程序控制飞

行或根据地面控制站无线遥控设备的操纵指令控制飞行。近年来，以其体积小、成本低、

适应性强、机动性隐蔽好、可重复使用、可替代人执行危险性大的作战任务等特点成为

[1]

国内外研究的热点，并逐渐在军事、民用等诸多领域展现出巨大的应用潜力。通常无

[2]

人机分为旋翼式无人飞行器和固定式无人飞行器。固定式无人飞行器出现的较早，自

20世纪60年代初，美国首次使用无人机进行军事探查，并在之后的战争中起到巨大的

效果，如参与中东海湾战争的“先锋”舰载无人机、科索沃战争的“掠夺者”无人机、

阿富汗战争和伊拉克战争中的“捕食者”和“死神”系列无人机、“全球鹰”战略无人

[3]

侦察机。随着微机电、通信、新材料和控制方法等科技的完善和研究，使得早期旋翼

式无人飞行器相对复杂的工程应用找到了有效的解决方式，并且能够更好地满足如今越

发复杂化的作战环境和要求。旋翼式无人机较固定式无人机具有突出优势，它能够在狭

[4]

小的空间范围中实现悬停，垂直升降（VTOL,VerticalTakeOffandLanding），灵

活度好，结构简单。本课题主要研究的对象是微小型旋翼式无人飞行器——四旋翼

（Quadrotor）。该飞行器的四个旋翼和四个电机分别固定在具有中心对称结构的十字架

结构机身的四个端点。改变四个电机的转速从而改变升力，实现四旋翼飞行器的轨迹和

[5]

姿态控制。与单旋翼式无人飞行器相比，四旋翼飞行器布局简单，易于控制，在飞行

稳定性和可操纵性上更加突出。此外，噪声小，制造精度低，隐蔽性好以及在狭小空间

中完成飞行任务等优点，使得四旋翼拥有更加大的应用潜力。但是，微小型四旋翼飞行

器是一种非完整约束的二阶欠驱动强耦合系统，在飞行过程中，四旋翼无人飞行器可以

通过调节四个螺旋桨的转速直接控制其姿态角度和飞行高度，而对于飞行器的水平位置，

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只能通过飞行器姿态角度与水平位置之间的耦合关系来间接控制，因此实现四旋翼无人

飞行器三个方向的位置控制具有较大的难度。除此之外，由于四旋翼无人飞行器体积小

并且重量轻，在飞行过程中空气阻力和阻力矩对其影响比较大，因此在设计飞行控制器

时还需要考虑到时变的外部干扰问题。除外界扰动以外，在每次飞行中，不同的负载导

致飞行器的重量以及转动惯量也都会有很大程度上的差别。由于四旋翼无人飞行器的动