基于反馈线性化与线性观测器的四旋翼飞行器设计

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摘要本文根据动力学与运动学分析建立了四旋翼飞行器模型，在忽略风阻与小角度近似的情况下，简化物理模型并建立了飞行器系统的状态空间模型；应用输入-输出反馈线性化的方法设计了控制律，并在初步设计控制律不满足相对阶要求的情况下调整输入通道，扩展了系统的动态特性；针对已线性化后的系统部分状态不可直接观测的情况下设计了 Luenberger 线性观测器；最后，在给定参数的情况下，用垂直螺旋轨迹跟踪的仿真验证了控制律的可行性。 43124

毕业论文关键词四旋翼飞行器反馈线性化动态扩展 Luenberger观测器

Title Quadrotor design based on feedback linearization and linear observer

Abstract According to aerodynamics analysis, a quadrotor mathematical model has been established. In terms of wind ignorance and small-angle assumption, the model is simplified and state space model of the quadrotor system is constructed. Applying input-output feedback linearization, the control law has been designed, and in case that the preliminarily designed control law failed to meet the relative degree requirement, one of the input channel is implemented to extend the system dynamically. Given some of the states are not observable, a Luenberger observer is designed to estimate some parameters. In the end, with provided coefficients, the simulation using vertical helix verified the control law.

Keywords quadrotor feedback linearization Luenberger observer

1绪论…1

1.1研究背景和意义…1

1.2国内外研究现状1

1.3本文的工作与论文结构安排…3

2四旋翼无人机飞行与控制原理5

2.1垂直升降控制5

2.2俯仰与滚转控制6

2.3偏航控制6

2.4平移控制7

3四旋翼无人机动力学模型8

3.1坐标建立及坐标间转换关系8

3.2动力学分析10

4基于反馈线性化的控制器设计14

4.1状态方程的建立…14

4.2控制律初步设计16

4.3系统的动态扩展…19

5Luenberger观测器22

5.1观测器模型22

5.2输出状态重构24

6仿真与分析25

结论30

致谢31

参考文献32

1 绪论 1.1 研究背景和意义无人飞行器（UAV）正因其在诸多领域存在应用的可能性而获得越来越广泛的关注。无人飞行器市场一度由军事应用所主导，例如交通控制、森林火灾预防、监控和营救等，其产品一向巨大而昂贵。然而，最近学术研究领域在小型化、机电一体化、微电子以及控制工程领域的发展[1]为小型、廉价的微型 UAV 的商业应用提供了许多可能。UAV 主要分为两种，固定翼无人机和旋翼无人机，而旋翼无人机，也被称作 VTOL[2](Vertical Take-Off and Landing)，亦即本文研究的对象，在体积、重量、功耗，以及垂直起降方面具有明显优势。另外，相比于只基于一个主旋翼的传统直升机-优尔`文~论^文.网www.youerw.com，四旋翼无人机因其多达四个旋翼，能够相比之下提供更大的载荷。不仅如此，微型四旋翼无人机还具有高度的机动性，并且更适合大规模生产。在军事领域，四旋翼飞行器的诸多适用于军事的优点，如机动性、隐蔽性，赋予了其军事行动中独特的价值，尤其在封闭结构、复杂地形情况下执行侦察任务，或实施电子对抗与干扰方面贡献巨大。此外，分布式控制的发展也使四旋翼无人机在编队飞行与作战上具有非常广阔的前景[3]。此外，在民用领域，搜救、巡逻、执法、地形绘测、实时动态监控，甚至是电影制作、航拍等更加个人的应用方面也更多出现四旋翼飞行器的身影。例如，应用在海面溢油检测场景，广阔无人的海面环境、低成本和实时采样的要求，使得四旋翼飞行器成为最合适的任务平台。与此同时，四旋翼无人机还成为火星探测的重要研究方向之一[4]。基于以上优势，和诸多应用场景的可能性与适用性，四旋翼无人机在 UAV 研究领域成为一个热门且富有潜力的项目。