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如何使用四元數實現四旋翼無人飛行器的軌跡跟蹤控制

2872304 2019-11-18 | pdf | 1.52 MB | 次下載 | 1積分

資料介紹

　　四旋翼無人飛行器具有復雜的數學模型，但現有控制方法大多是基于系統簡化模型提出的。為此，該文分析了這類方法的局限性，并基于原始數學模型研究了非線性軌跡跟蹤控制問題。通過期望軌跡建立跟蹤誤差模型，將其分解為兩個相互獨立的子系統，并以剛體旋轉的四元數為系統狀態對姿態子系統進行描述。利用 backstepping 方法設計時變反饋控制律使其子系統指數穩定。根據級聯系統的全局穩定性判據，通過研究耦合部分的性質證明系統的全局指數穩定性。仿真結果表明，該方法能夠實現四旋翼無人飛行器對期望軌跡的跟蹤。

　　近年來，無人飛行器（unmanned aerial vehicles， UAV）受到研究人員的廣泛關注。四旋翼無人飛行器由于能夠垂直起降（vertical take-off and landing， VTOL）、自主懸停且機械結構簡單而成為UAV研究領域中的熱點［1］。然而，四旋翼無人飛行器是一個具有復雜約束方程的級聯非完整系統，不滿足Brockett關于光滑反饋鎮定的必要條件，只有非光滑或時變的控制律才能使其穩定［2］。針對該飛行器的控制器設計問題，已提出了大量的研究方法［3-10］。文獻［3-9］通過對系統模型進行不同程度的簡化處理來簡化控制器設計過程，但限制了以上控制方法的應用范圍，且可能導致控制系統精度的降低甚至發散。文獻［10］在系統完整數學模型基礎上進行控制器設計，但由于系統穩定性分析的復雜性，該文獻并沒有證明系統的全局穩定性。由此可見，由于四旋翼無人飛行器的模型較為復雜，對于此類系統的理論研究還存在許多問題.