面向四旋翼無人機的非線性控制方法與實現(xiàn).pdf

1、飛行控制技術(shù)是四旋翼無人機的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文在考慮四旋翼無人機非線性、靜不穩(wěn)定、欠驅(qū)動、軸間耦合等特性的基礎(chǔ)上，對其運動學關(guān)系、動力學模型和執(zhí)行器系統(tǒng)進行了建模和辨識，圍繞四旋翼無人機的精確、穩(wěn)定飛行控制問題展開研究。首先深入研究了四旋翼無人機執(zhí)行器的原理和特性，提出了一種基于極限學習機（Extreme Learning Machine，ELM）的四旋翼執(zhí)行器故障檢測方法，實現(xiàn)了執(zhí)行器系統(tǒng)的在實時在線故障檢測。針對四旋翼無人機的全狀態(tài)

2、反饋控制問題，進一步在精確模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于命令濾波反步法（Command Filtered Backstepping，CFBS）的四旋翼非線性控制器，該控制器能保證各狀態(tài)大范圍漸近穩(wěn)定;并進一步提出了一種基于飛行狀態(tài)的參數(shù)調(diào)度策略，提高該控制器在實際應用中的控制性能。基于模型的控制方法依賴被控對象的精確模型，本文還探究了基于學習策略的控制方法，降低了控制器對精確模型的依賴，設(shè)計了一種ELM輔助的在線訓練四旋翼無人機姿態(tài)控制器

3、，在實際應用中性能優(yōu)良。本文研究的創(chuàng)新成果如下:
　　(1)針對一種典型的四旋翼無人機平臺，建立了非線性運動學模型、非線性動力學模型和執(zhí)行器模型。重點提出了參數(shù)測定和辨識方法，通過實驗測定了實驗平臺的物理參數(shù);并圍繞一組典型的四旋翼無人機執(zhí)行器系統(tǒng)，通過辨識實驗建立了執(zhí)行器系統(tǒng)的動態(tài)模型，實驗結(jié)果顯示所辨識的模型具有足夠的精度。該參數(shù)測定和辨識方法可以用于多種旋翼無人機平臺的建模。
　　(2)針對四旋翼無人機在線執(zhí)行器故障檢

4、測需求，提出了一種故障檢測方法。首先使用一個ELM網(wǎng)絡表征執(zhí)行器的動態(tài)模型，并定時使用執(zhí)行器的輸入、輸出和狀態(tài)數(shù)據(jù)訓練該網(wǎng)絡，將執(zhí)行器的動態(tài)特性映射到該網(wǎng)絡的輸出矩陣中;進一步通過監(jiān)測輸出矩陣的范數(shù)，可以實時了解執(zhí)行器的動態(tài)特性變化，從而判斷是否發(fā)生故障。該方法最終在自制旋翼系統(tǒng)實驗平臺上進行測試，實驗結(jié)果顯示該方法能夠在主流執(zhí)行器硬件平臺上實現(xiàn)，且對早期微小故障和嚴重故障都具有很高的靈敏度。
　　(3)提出了一種基于CFBS的面

5、向四旋翼無人機的全狀態(tài)反饋控制器，被控系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能且大范圍漸近穩(wěn)定。為了進一步提高調(diào)節(jié)精度，同時降低執(zhí)行器飽和風險，在該控制器的基礎(chǔ)上提出了一種參數(shù)調(diào)度機制。依據(jù)實際飛行狀態(tài)，在系統(tǒng)穩(wěn)定條件范圍內(nèi)調(diào)度控制器的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)被控系統(tǒng)每一級誤差能量的收斂速度，從而獲得兩點有益效果:1）降低控制信號在快速跟蹤過程中的幅度，降低了執(zhí)行器飽和的風險;2）提高控制器在調(diào)節(jié)過程中的控制作用，減小調(diào)節(jié)誤差。該控制器在實際無人機系統(tǒng)中實現(xiàn)并測試

6、，對比控制方法包括:基于動態(tài)面控制(Dynamic SurfaceControl，DSC)和基于串級PID設(shè)計的控制器，實驗結(jié)果顯示該控制器在實際系統(tǒng)中具有良好的控制性能。
　　(4)針對基于串級PID飛控系統(tǒng)參數(shù)整定繁瑣的問題，在串級PID姿態(tài)控制器的基礎(chǔ)上，提出了一種ELM輔助的在線訓練四旋翼姿態(tài)控制器。該控制器包含一個ELM網(wǎng)絡，經(jīng)過訓練后，該網(wǎng)絡能表征包含軸間耦合的被控四旋翼角速率子系統(tǒng)逆模型。由于引入的網(wǎng)絡控制器使用實際

7、飛行數(shù)據(jù)在線訓練，所以在設(shè)計階段無需被控對象的精確先驗模型。該ELM網(wǎng)絡在訓練后被用作直接逆控制器，ELM網(wǎng)絡的輸出和PID控制器的輸出相加后，作用于被控無人機系統(tǒng)。通過實際飛行實驗驗證了該方法的有效性和實用性，實驗結(jié)果顯示，在線訓練后四旋翼無人機的飛行品質(zhì)提高，內(nèi)環(huán)跟蹤誤差和跟蹤滯后降低。
　　(5)非線性控制器在實際系統(tǒng)中的實施依賴于硬件平臺。結(jié)合非線性飛行控制需求和四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)特點，詳細討論并分別設(shè)計了基于DSP和AR