四旋翼飞行器的姿态控制器设计.docx

摘要：四旋翼飞行器是无人多旋翼飞行器中的一种，它采用四个旋翼作为飞行的直接动力，四个旋翼呈十字交叉形分布。四旋翼飞行器具有可垂直起降、体积小、隐蔽性好、结构简单、成本低、机动能力强的优点，因此广泛应用于军用和民用领域。近年来，控制理论、传感器技术和计算机科学的进步掀起了新的研究四旋翼飞行器的浪潮，全球各个国家和企业纷纷投入到四旋翼的研制工作中。现在四旋翼飞行器的研究主要集中在数学建模、结构设计、视觉识别、遥控导航、飞行姿态控制、无人机群协同控制等方面。本文主要围绕四旋翼飞行器的数学建模、非线性控制和抑制干扰等方面进行研究。

四旋翼飞行器具有强耦合、欠驱动、非线性的特点，为能准确计算出四旋翼飞行器的姿态控制器，需要建立准确、详细的数学模型。本文通过分析四旋翼飞行器的结构和飞行原理，基于牛顿力学规律，在考虑扰动的情况下，建立了四旋翼飞行器的动力学模型。

反步法是非线性控制方法中常用的一种方法，它适用于具有非线性、欠驱动性的系统。本文在分析了反步法的原理后，基于所建立的四旋翼飞行器的动力学模型求出了其姿态控制器，并根据建立的模型进行了仿真分析。

最后，针对上述控制器不能抑制干扰的问题，本文将自适应控制与反步法相结合，选取出合适的自适应律，设计出了自适应反步控制器，仿真结果表示，该控制器在抑制干扰方面有明显效果，验证了该设计方法的合理性。

关键字：四旋翼飞行，动力学建模，反步法，自适应控制

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论-1

1.1 课题背景与意义-1

1.2 国内外研究现状-2

1.3 本文研究内容与安排-4

第二章 四旋翼无人机结构分析与数学建模-5

2.1 引言-5

2.2 四旋翼无人机的结构-5

2.3 四旋翼飞行器的工作原理-6

2.4 四旋翼飞行器数学建模-7

2.4.1坐标系建立与坐标转换-7

2.4.2四旋翼无人机动力学模型建立-9

2.4.3 模型参数获取-11

2.5本章小结-11

第三章 基于反步法的姿态控制器设计-12

3.1 引言-12

3.2 反步法原理介绍-12

3.3反步控制器设计-14

3.4 仿真验证-16

3.4.1仿真模型的搭建-17

3.4.2无干扰下的系统仿真-18

3.4.3 有干扰下的系统仿真-22

3.5 本章小结-23

第四章 基于自适应的反步控制-24

4.1 引言-24

4.2 自适应反步控制器设计-24

4.3 仿真验证-26

4.4 本章小结-29

第五章 总结与展望-30

参考文献-31

致谢-33