四旋翼无人机系统高频动态仿真与分析(2)
(4) Compared the controller performance of disturbance rejection between LQR controller and H∞ controller, the simulation results showed H∞ controller has more advantages, which is consistent with theory analysis.
Keywords quadrotor singular perturbation LQR control H∞ control
disturbance rejection
目 次
1 绪论 1
1.1 四旋翼飞行器历史进程和研究现状 1
1.2 四旋翼飞行器的特征与控制方法 1
1.3 奇异摄动系统的研究与发展 2
1.4 奇异摄动系统的LQR与H∞控制 2
1.5 本文的主要工作 3
2 四旋翼飞行器数学模型建立 4
2.1 运动坐标系及其转化 4
2.2 四旋翼飞行器动力学模型 6
2.3 四旋翼飞行器的分运动划分 8
2.4 独立运动的控制器设计 10
2.5 本章小结 11
3 奇异摄动系统 12
3.1 奇异摄动系统的特征 12
3.2 奇异摄动系统的快慢分解 13
3 四旋翼飞行器的奇异摄动与快慢子系统 14
3.4 本章小结 15
4 四旋翼飞行器LQR控制器设计 16
4.1 LQR控制的基本原理 16
4.2 四旋翼飞行器奇异摄动模型LQR控制器设计 16
4.3 本章小结 19
5 线性化模型与奇异摄动模型LQR控制器对比 20
5.1 四旋翼飞行器线性化模型LQR控制器 20
5.2 四旋翼飞行器奇异摄动模型LQR控制器 20
5.3 LQR控制器性能对比 21
6 四旋翼飞行器H∞控制 23
6.1 H∞控制基本原理 23
6.2 奇异摄动模型H∞控制器设计 25
6.3 本章小结 26
7 线性化模型与奇异摄动模型H∞控制器对比 27
7.1 四旋翼飞行器线性化模型H∞控制器 27
7.2 四旋翼飞行器奇异摄动模型H∞控制器 27
7.3 H∞控制器性能对比 28
8 奇异摄动模型下H∞控制与LQR控制的对比 30
9 升降运动与航线运动仿真 31
结论 32
致谢 33
参考文献 34
1 绪论
1.1 四旋翼飞行器历史进程和研究现状
1.2 四旋翼飞行器的特征与控制方法
从四旋翼飞行器的数学模型特征讲，它是一种典型的高阶数、非线性、强耦合的系统[15]。相比传统单旋翼飞行器，它的每个旋翼都能单独产生作用于机身的升力与力矩[16]。其稳态是一种准静态，稍受干扰即偏离稳态。而且其欧拉角状态的变化对机体的稳定的影响远大于位置状态的影响，也即角度变化与位置变化有明显的快慢区分。这些特性使得四旋翼飞行器的设计的困难集中在控制算法的设计上，这也使得其成为研究鲁棒控制的一个理想测试平台。
四旋翼飞行器控制理论发展至今也有了许多成熟的控制的方法，可以大致分为两类：非线性控制和线性控制。其中非线性控制包括模糊控制和神经网络控制，此类控制依赖系统的精确建模和参数的准确识别。而线性控制包括经典的PID控制、LQR控制以及H∞控制手段。这类控制是基于系统的线性化，相比非线性控制的性能稍弱，但设计难度要低很多。各种控制方法皆有其优势，但从性能指标上而言，通常只能重点兼顾一部分状态变量。针对四旋翼飞行器的快慢特性，如何分别设计控制器，是本文所关心的重点。
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