四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究.docx

"四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究" 四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究是指在四旋翼无人机系统中，设计和实现一种抗扰能力强的几何滑模姿态控制器，以满足微小型无人机的任务目标。该技术涉及到四旋翼无人机的运动学和动力学建模、几何滑模姿态控制器的设计、几何滑模姿态观测器的设计和二自由度鲁棒控制器的设计等多个方面。 在四旋翼无人机的运动学和动力学建模中，使用单位四元数表示四旋翼无人机的姿态运动学，给出了单位四元数的李群结构，为设计全局稳定的姿态控制器提供了数学基础。根据牛顿第二定律和叶素理论，给出了四旋翼无人机的动力学模型，指出四旋翼无人机姿态控制对四旋翼无人机系统的性能具有重要影响。 在几何滑模姿态控制器的设计中，使用对匹配干扰具有天然鲁棒性的滑模控制技术，设计了几何滑模姿态控制器。该控制器基于单位四元数的姿态表示，使用反步法和逆最优定理，构造性地证明了几何滑模姿态控制器的稳定性和控制器在李雅普诺夫函数意义下的最速特性。实验结果表明，几何滑模姿态控制器可以对四旋翼无人机的姿态进行快速调节。 在几何滑模姿态观测器的设计中，使用滑模观测器对四旋翼无人机的角速度信号进行估计。基于单位四元数的李群结构，通过等变映射将单位四元数空间上的微分方程映射为等价李代数空间中的等价微分方程，并在等价李代数空间中构造反馈，从而避免了强制的比例重调，改善了滑模观测器的收敛特性。实验结果表明，几何滑模姿态观测器可以对四旋翼无人机的角速度信号进行良好的估计。 在二自由度鲁棒控制器的设计中，基于滑模控制器/滑模干扰观测器（SMO/SMDO）结构，设计了具有更强抗干扰能力的二自由度鲁棒控制器。使用一阶外部系统将受控系统扩展为三阶系统后，以提出的几何滑模观测器设计框架为基础，设计了对输入干扰力矩进行估计的干扰观测器。实验结果表明，二自由度鲁棒控制器可以使系统保持稳定，即使在四旋翼无人机姿态动态中引入幅值较大的慢速干扰。 四旋翼无人机几何滑模姿态控制技术和抗扰应用研究可以满足微小型无人机的任务目标，提高四旋翼无人机的控制性能和抗干扰能力。