四旋翼飞行器自适应抗干扰及编队控制研究

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近年来四旋翼飞行器因可垂直起降、可靠性高及易操作等特性被广泛用于军事、民用、国防技术和其他领域中。四旋翼飞行器作为一种典型的欠驱动、强耦合、非线性系统,在具有灵活性的同时十分依赖有效的控制算法才能保证其稳定性。由于四旋翼飞行器的工作环境复杂,因此需要考虑模型的不确定性及外部扰动的影响。基于上述问题,本文首先研究了四旋翼飞行器自适应抗干扰控制算法。在此基础上研究了事件触发控制策略和多四旋翼飞行器的位置编队控制问题。主要研究内容和取得的成果如下:1.基于四旋翼飞行器的工作原理,用牛顿力学分析法和欧拉角的姿态描述方法建立了四旋翼飞行器的动态模型。基于李雅普诺夫稳定性定理证明了设计自适应抗干扰控制器可以实现四旋翼飞行器位置子系统的有界跟踪及姿态子系统的渐进跟踪。设计的自适应参数能够在线估计参考信号以补偿外界扰动的影响。MATLAB环境下的仿真结果与实验数据验证了设计的控制算法的有效性。2.基于搭建的四旋翼飞行器姿态实验平台对设计的自适应抗干扰姿态控制算法进行实验验证。由实验数据得出的轨迹跟踪图等验证了本文设计的自适应抗干扰姿态控制算法的有效性。3.考虑到传统时间驱动式控制器在高频更新下的系统资源消耗问题,本文研究了基于事件触发自适应抗干扰控制算法。分别给出了位置子系统和姿态子系统的事件触发方程和稳定性证明过程并分别设计了控制器。通过推导出设计的事件触发控制器的最小触发间隔来从理论上证明了设计的控制器可以避免芝诺现象。时间间隔散点图和表格中的数据分析验证了所设计事件触发的控制策略可以大幅度减少控制器更新次数,在一定程度上节约了系统资源,证明了设计的基于事件触发自适应抗干扰控制器能达到预期性能。4.考虑到单个四旋翼飞行器的局限性,本文研究了多四旋翼飞行器自适应抗干扰位置编队控制问题。基于领导者-跟随者编队控制方法,设计了多四旋翼飞行器自适应抗干扰位置编队控制器以实现跟随者四旋翼飞行器对领导者四旋翼飞行器的跟踪性能。仿真结果验证了设计的编队控制算法的有效性。
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