无人机系统的高精度姿态控制设计
毕业论文关键词 姿态跟踪 鲁棒自适应控制 三文旋转群
Title THE design of a high precision attitude control systems of UAV
Abstract This paper briefly describes robust adaptive attitude tracking systems on SO(3) for a quadrotor UAV. On the basis of the principle of the attitude dynamics of rigid body, and gradually the required algorithm is deduced. The system is expressed on the SO(3),to avoid complexities and ambiguities associated with quaternion and Euler Angle modeling algorithm. First modeling trace gesture instructions without the knowledge of the inertia matrix, then we design the adaptive tracking system ,finally we nend to ensure the boundedness of the tracking error when a bounded natural disturbance come to system. Keywords Attitude tracking robust adaptive control SO(3)
目录
1绪论1
2课题背景介绍..3
2.1问题来源及研究背景..3
2.2国内外现状3
2.3关键技术及发展前景..4
2.3.1关键技术..4
2.3.2发展前景..4
2.4主要工作简介..4
3四旋翼模型建立6
3.1建模的基本理论.6
3.1.1罗德里格斯公式..6
3.1.2弗罗贝尼乌斯数与二范数.6
3.1.3Ode45与Runge-Kutta算法7
3.1.4李雅普诺夫稳定性.7
3.2四旋翼飞行仿真器的力学模型..8
4四旋翼控制器设计10
4.1姿态误差10
4.1.1命题1..10
4.1.2证明命题1.11
4.1.3命题2..13
4.1.4证明命题2.13
4.2自适应姿态跟踪..14
4.2.1命题3..15
4.2.2证明命题316
4.2.3注意点.18
4.3鲁棒自适应姿态跟踪18
4.3.1命题418
4.3.2命题4的证明.19
4.3.3注意点.20
5仿真结果..22
5.1matlab与simulink程序22
5.2仿真对比..23
结论27
致谢28
参考文献..29
1 绪论 四旋翼无人飞行器因其起降条件低，物理易实现及可小型化等特点成为近年来受控物理平台研究领域的热点，在民用和军用都有很广阔的前景。由于环境因素的复杂性，四旋翼无人机会产生很多偏离预定轨道的现象。要克服四旋翼的这种偏差，需要对其飞行姿态进行控制。控制有三个方面：姿态控制，速度控制和位置控制。姿态控制又被称为内回路控制，是其他控制的基础。 四旋翼飞行器的本质力学模型为刚体，其姿态控制属于刚体的姿态动力学的一种。刚体的姿态动力学出现在各种工程应用中：如空中和水下交通、机器人和宇宙飞船。姿态动力学的一个特性是其结构不是线性的,而是多样化的。当它拓展到一个非线性空间时,则被看作是一个特殊的正交群:三文旋转群。这个重要而独特的属性,使得我们不能实现系统从动态系统演进成一个线性空间的过程。这就表明,不存在一个连续的线性反馈控制,能够使系统姿态渐近稳定。 然而,之前的姿态控制大多数是基于最小姿态,或四元数来控制的。众所周知,任何最小姿态表示只能在已知系统实现。并且在系统出现大角度旋转时，运动的奇异性不能被克服。四元数虽然没有奇异性,但随着三文旋转群理论的出现,以四元数为基础的姿态控制系统表现不够精确，需要重新设计。否则,它可能没法解释特定环境的表现,如刚体大角度运动时的产生的额外旋转,以及它对微小的测量噪声表现的极为敏感也影响到了控制。 当控制系统在三文空间内无法被模糊定义为点，线时，几何控制就参与到非线性控制对系统进行定义。通过抽象化系统，对其本质属性进行定义,几何控制技术完全避免了由于局部坐标或者结构特性造成的奇异点和模糊性。这种方法被应用到李群数中进行刚体动态驱动时，系统几乎达到渐近稳定。
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