四旋翼直升机姿态运动控制研究(张家琪)

四旋翼直升机姿态运动控制研究答辩人：张家琪导师：郑艳副教授主要内容绪论四旋翼直升机模型建立基于滑模变结构的控制器设计基于Backstepping的控制器设计结论与展望绪论研究背景及意义图1.1四旋翼直升机工作原理图国际：1.遥控航模四旋翼飞行器2.小型四旋翼飞行器3.微型四旋翼飞行器国内：1.国防科技大学机器人实验室2.北京理工大学的智能机器人研究所3.上海交通大学微纳米科学技术研究院国内外研究现状PID控制多饱和控制(NestedSaturationControl)滑模控制(SlidingModeControl)反步法(Backstepping)四旋翼直升机控制方法四旋翼直升机模型建立试验平台工作原理和建模方法非线性模型建立三自由度四旋翼盘旋系统三自由度四旋翼盘旋系统是由Quanser公司生产的1.四旋翼直升机本体2.动力模块3.数据采集控制卡4.PC机图2.1三自由度四旋翼盘旋系统本体六自由度四旋翼无人机工作原理图2.2垂直位置控制图2.3俯仰/滚转姿态控制图2.4偏航姿态控制非线性模型建立F24FF31FBzxylmgXYZEOO坐标转换矩阵惯性坐标系物体坐标系坐标转换矩阵按照x，y，z轴的顺序进行旋转,,Bxyz,,EXYZ3RSO图2.5物体坐标系B和地面坐标系E间的关系XxzYyYyXxZzzYyXxZZ图2.6滚动、俯仰和偏航示意图cossin0cos0sin100,,sincos00100cossin001sin0cos0sincoscoscoscossinsinsinsincossincossinsinsincossinsinsincoscossinsincossinRcossincossincoscos(2.1)XxzYyYyXxZzzYyXxZZ图2.6滚动、俯仰和偏航示意图cossin0cos0sin100,,sincos00100cossin001sin0cos0sincoscoscoscossinsinsinsincossincossinsinsincossinsinsincoscossinsincossinRcossincossincoscos(2.1)欧拉角与体坐标系下角速度通过欧拉定理，应用欧拉角，得欧拉角与体坐标系下角速度之间有如下关系，10sin0cossincos0sincoscospqrsintancostancossinsinseccossecpprqrqr也可以写成，(2.2)(2.3)Tpqr四旋翼直升机的运动可分解为1.质心运动（也叫平移运动）2.相对质心的旋转运动（亦称旋转运动）平移运动物体坐标系下直升机的受力4100xByziiFFFFF’’’(2.4)T00BFT由牛顿第二定律可知，地面坐标系下x，y，z的三个方向的线位移运动方程如下，(2.5)123///xyzxFKxmyFKymzFmgKzm由式(2.1)和(2.4),得平移运动的运动学方程,41sinsincossincoscossinsinsincoscoscosxyBEBiizFFRFFF(2.6)根据三自由度四旋翼盘旋系统的受力情况，可得姿态运动学模型,姿态运动图2.8系统动力学示意图424311234'1234////xyzzplFFKpIqlFFIrMMMMIFFFFI(2.7)lPitchYawY4F2F3F1FZXRoll定义被控对象控制量为1123424233141234UFFFFUFFUFFUFFFF综合式(2.2)~(2.8)组成了四旋翼直升机的全状态非线性状态方程，其状态量为,Txxyzxyzpqr全状态非线性方程可表示为如下非线性形式,xfx(2.8)(2.9)(2.10)其中，11121323'4sinsincossincos/sinsincoscossin/coscos/sintancostancossinsinseccossec///xyzxyzUKxmUKymUKzmgfxpprqrqrUlIUlIUI(2.11)基于滑模变结构的控制器设计欠驱动系统(underactuatedsystem)1.成为非线性控制领域的热点2.欠驱动特点，可由较少的控制输入确定其在比控制输入空间维数大的位形空间内的运动3.欠驱动难点，直接激励部分的自由度和欠驱动部分的自由度相互间是非线性耦合的。欠驱动系统滑模控制系统设计控制系统设计全驱动z&欠驱动xy滑模变结构在欠驱动系统应用飞行控制系统设计图3.1控制系统结构图11123'4sinsincossincos/sinsincoscossin/coscos////xyzxUmyUmzUmgUlIUlIUI简化的动力学模型(3.1)滑模面设计112scee(3.2)趋近律设计(3.3)滑模变结构控制器设计(3.4)sgn(),0,0sskskxy欠驱动通道状态方程565787rrrrxxeyyeeeee(3.5)565787rrrrxxeyyeeeee56167818sinsincossinsinsinsincoscossinrreeUexmeeUeym控制器为133573333sinsincossinsinsgnyrrrIUUcxxcxlmcsks(3.6)(3.7)565787rrrrxxeyyeeeee同理，全驱动通道控制器为(3.8)124684444sinsincoscossinsgnxrrrIUUcyycylmcsks111111sgncoscosrrmUczzzsksg'422222sgnXrrUIcsks(3.9)仿真研究图3.2状态x响应曲线012345678910-0.500.511.5Time(s)x(m)图3.3状态y响应曲线01234567891000.20.40.60.811.2Time(s)y(m)024681000.20.40.60.811.2Time(s)z(m)图3.4状态z响应曲线模拟的平移运动仿真研究图3.5俯仰角曲线图3.6滚转角曲线02468101214161820-20-10010203040Time(s)(deg)图3.7偏航角曲线02468101214161820-20-10010203040Time(s)(deg)02468101214161820-5051015202530Time(s)(deg)姿态运动基于Backstepping的控制器设计耦合问题是欠驱动系统中必然存在的问题1.动态耦合2.操纵耦合Backstepping设计方法主要优点1.它通过反向设计，达到系统化、结构化2.设计的结果保证了系统的稳定性，处理系统的非线性特性时提供了更大的灵活性，不进行线性化欠驱动欠驱动通道的控制系统设计xy图4.1欠驱动系统结构图基于Backstepping的控制器设计模型简化，通道122134431sinsincossincosyxxxUmxxlxUI3122134431xyxxxUCSmxxlxUI对式(4.1)小角度假设，得x(4.1)(4.2)Backstepping控制器设计3124131231131231241223134123122313112341123412111211211112yddmIUccccccccxxUCClccccccccccccccxxccccccccccUCCmccccUCCmccccUSSmUCSUmm211SCUCSm(4.3)2578575671575675685657678567565767156781567812111211211112xddmIUccccccccyyUCClccccccccccccccyyccccccccccUCSmccccUCCmccccUSSmUCSUmm211SCUCSm(4.4)通道y全驱动通道'49910101zddddUIcccc111121112121ddddmUcczzcczzgczzCC(4.5)(4.6)仿真研究01234567891000.511.52Time(s)x(m)01234567891000.20.40.60.811.21.4Time(s)y(m)01234567891000.20.40.60.811.2Time(s)z(m)图4.2状态x响应曲线图4.3状态y响应曲线图4.4状态z响应曲线模拟平移运动仿真研究02468101214161820-20-100102030Time(s)(deg)02468101214161820-5051015202530Time(s)(deg)02468101214161820-5051015202530Time(s)(deg)图4.5俯仰角曲线图4.6滚转角曲线图4.7偏航角曲线姿态运动结论与展望结论1.试验平台模拟实际四旋翼直升机姿态运动2.滑模变结构对欠驱动通道的设计3.针对欠驱动通道之间耦合性和实际四旋翼工作理，设计基于Backstepping控制器的子通道展望1.模型精确化2.控制器优化及实现3.实际试验模拟·谢谢·