关键词:
四旋翼无人机
有限时间
滑模控制
自抗扰控制
容错控制
摘要:
无人机智能自主化水平是国家科技水平和国防能力的体现,无人系统自主作战和协同作战将成为军事航空领域的重要发展趋势。四旋翼无人机是一种典型的多输入-多输出、强耦合、欠驱动的复杂非线性控制系统,设计高性能的控制器是四旋翼无人机控制领域的研究热点。针对四旋翼无人机控制系统中存在时变干扰、输入饱和、模型不确定性和执行器失效等问题,本文从有限时间稳定层面开展了姿态稳定控制、轨迹跟踪控制、容错控制理论研究和关键技术攻关,实现了复杂条件下四旋翼无人机精准鲁棒的位姿跟踪控制和容错控制。论文的主要工作及创新点如下:
(1)四旋翼无人机控制系统模型是实现跟踪控制的基础。以四旋翼无人机为研究对象,深入研究其结构构成和基本飞行原理,建立了惯性坐标系和机体坐标系之间的转换关系。充分考虑模型参数不确定性、外部干扰和气动耦合对四旋翼控制系统的影响,基于牛顿-欧拉拉格朗日方程建立了运动学和动力学控制模型。为解决跟踪控制系统存在欠驱动的问题,构建了一组虚拟变量,并通过非线性解耦求解期望的推力、横滚角和俯仰角,为设计精度高、鲁棒性强的有限时间稳定控制方法奠定了基础。
(2)针对渐近稳定控制系统响应难以满足高机动姿态跟踪的问题,研究了固定时间稳定控制技术,并提出了一种基于自适应非奇异终端滑模的固定时间姿态稳定控制方法。为保证非奇异性和固定时间收敛特性,构造了一种非奇异固定时间终端滑模面。结合非线性滑模面和自适应控制技术,设计了四旋翼无人机自适应非奇异固定时间终端滑模姿态稳定控制器。所设计的控制器无需集总扰动和模型不确定性上界的先验知识,同时可以有效抑制系统抖振现象。接下来,详细分析了控制器的参数设计准则,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性。仿真实验和对比分析表明,姿态稳定控制系统状态和跟踪误差可以在固定时间内收敛,自适应固定时间控制方法收敛速度提升28.9%,控制精度提升38.0%,验证了内环姿态稳定控制器的有效性。
(3)针对四旋翼无人机跟踪控制系统存在外部干扰、模型不确定性、执行器饱和等问题,研究了有限时间自抗扰控制技术,并提出了基于有限时间滑模观测器的自抗扰轨迹跟踪控制方法。结合改进的非线性Sigmoid函数和滑模终端吸引子,本文构造了有限时间微分跟踪器,提高了跟踪信号的滤波能力和快速响应能力。提出一种三阶时变增益有限时间扩张观测器,同时将控制输入饱和引入到扩张状态观测器中,对未知干扰和模型不确定性进行有效估计,并使观测误差在有限时间内收敛到零。设计了一种基于有限时间观测器的多变量超螺旋滑模控制器,并利用Lyapunov稳定性理论证明了该控制器轨迹跟踪误差可以在有限时间内收敛。仿真实验和对比分析表明,所设计的自抗扰控制器轨迹跟踪控制精度提升了21.8%,验证了外环轨迹跟踪控制方法的有效性。
(4)针对四旋翼无人机执行器失效故障引起坠机问题,研究了有限时间容错控制技术,并设计了一种基于平滑事件触发机制的自适应有限时间容错控制方法。本文提出了一种平滑事件触发机制,在避免不连续触发信号的同时减轻了通信负担,大幅度较少了执行器的损耗。为保证预设时间的跟踪控制性能,设计了一种非线性有限时间性能函数。基于时变障碍Lyapunov函数技术,提出了有限时间收敛自适应反步容错控制器。利用径向基函数神经网络进行非线性逼近,并设计自适应律对模型未知不确定性进行精确估计,从而有效地解决了由执行器故障和干扰引起的控制器设计难题。本文设计的自适应容错控制器中所有闭环系统状态是有界的,跟踪误差可以在有限时间内收敛,事件触发控制中奇诺行为也可以有效避免。仿真实验和对比分析表明,在执行器存在失效故障和偏移故障的情况下,所提出的容错控制器在跟踪性能上提升了47.4%,验证了容错控制方法的有效性。
(5)开发了四旋翼无人机飞行控制系统,并开展了飞行试验。试验结果表明,自适应非奇异固定时间滑模控制器可以减小姿态稳定收敛时间,姿态稳定误差小于0.225°。有限时间自抗扰控制器可以增强抗干扰性能,在集总干扰情况下轨迹跟踪误差为0.057m,姿态跟踪误差为0.287°。基于事件触发机制的自适应有限时间容错控制器可以提升执行器故障情况下控制系统的鲁棒性能和容错性能,轨迹跟踪误差为0.186m,姿态跟踪误差为0.236°。通过飞行试验和对比分析,验证了本文有限时间稳定控制方法的有效性和优越性。