四旋翼飛行器自適應控制 何熊熊 陶玫玲 9787030762443 【台灣高等教育出版社】

精彩書評
本書系統地介紹了四旋翼飛行器自適應控制的先進設計方法，適用於從事航空航天應用、計算機應用和電氣自動化領域工作的工程技術人員閱讀。

目錄

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前言
外文符號與縮寫列表
第1章 緒論 1
1 1 四旋翼飛行器 1
1 2 無人飛行器姿態控制的主要問題與挑戰 5
1 3 研究現狀 6
1 4 本書的主要工作 12
參考文獻 14
第2章 四旋翼飛行器姿態數學模型 21
2 1 引言 21
2 2 參考坐標系和坐標變換 21
2 3 姿態描述 23
2 3 1 歐拉角 23
2 3 2 單位四元數 23
2 3 3 歐拉角與四元數轉換關係 25
2 4 姿態動力學和運動學模型 25
2 5 姿態跟蹤誤差模型 26
2 6 本章 小結 27
參考文獻 27
第3章 RBF網絡的有限時間自適應姿態控制 28
3 1 引言 28
3 2 問題描述 29
3 3 RBF網絡的有限時間自適應控制 32
3 3 1 非奇異終端滑模面設計 32
3 3 2 控制器和自適應更新律設計 34
3 4 穩定性分析 35
3 5 仿真結果及分析 40
3 5 1 固定歐拉角跟蹤 41
3 5 2 正弦波跟蹤 46
3 6 本章 小結 50
參考文獻 50
第4章 增強型雙冪次趨近律的固定時間姿態控制 53
4 1 引言 53
4 2 問題描述 54
4 2 1 系統描述 54
4 2 2 執行器多故障模型 57
4 2 3 相關引理 58
4 3 增強型雙冪次趨近律的固定時間自適應控制 58
4 3 1 固定時間終端滑模面設計 58
4 3 2 增強型雙冪次趨近律設計 60
4 3 3 控制器和自適應更新律設計 61
4 4 穩定性分析 62
4 5 仿真結果及分析 66
4 6 本章 小結 76
參考文獻 76
第5章 執行器飽和與故障的非奇異固定時間姿態控制 79
5 1 引言 79
5 2 問題描述 80
5 2 1 系統描述 80
5 2 2 執行器飽和與故障模型 81
5 2 3 模糊邏輯系統 83
5 2 4 相關引理 84
5 3 非奇異固定時間模糊自適應控制 84
5 3 1 非奇異固定時間滑模面設計 84
5 3 2 輔助函數設計 86
5 3 3 控制器和自適應更新律設計 88
5 4 穩定性分析 89
5 5 仿真結果及分析 95
5 6 本章 小結 98
參考文獻 98
第6章 參數估計誤差的四旋翼飛行器非奇異固定時間姿態控制 101
6 1 引言 101
6 2 問題描述 102
6 2 1 系統描述 102
6 2 2 相關引理 103
6 3 參數估計誤差的非奇異固定時間自適應控制 103
6 3 1 非奇異固定時間滑模面設計 103
6 3 2 控制器和濾波器設計 105
6 3 3 自適應更新律設計 107
6 4 穩定性分析 110
6 5 仿真結果及分析 113
6 6 本章 小結 117
參考文獻 118
第7章 實驗結果及分析 120
7 1 引言 120
7 2 四旋翼飛行器實驗平臺 121
7 3 實驗結果 123
7 3 1 實驗結果一 123
7 3 2 實驗結果二 135
7 4 本章 小結 142
參考文獻 142
彩圖
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精彩書摘
第1章 緒論
1 1 四旋翼飛行器
無人飛行器（unmanned aerial vehicle，UAV）是一種配備自主控制裝置的飛行器。通過攜帶不同設備，無人飛行器可以執行多種不同的任務[1-5]。無人飛行器系統由於其高機動性和完全自主執行任務的能力，在世界各國的國防計劃和國防戰略中發揮著越來越重要的作用。技術的進步使大型無人飛行器，以及更小型、能力越來越強的無人飛行器發展成為可能。正如文獻[6]表明的，無人飛行器有許多軍事應用，包括偵察、監視、戰鬥損害評估和通信中繼。目前，無人飛行器的主要應用還是與國防相關的，主要投資是由未來的軍事場景驅動的。然而，民用無人飛行器潛在的應用範圍非常廣泛，包括環境監測（如污染、天氣和科學應用程序）、森林火災監測、國土安全、邊境巡邏、藥物封鎖、空中監視和映射、交通監控、精準農業、救災、臨時通信網絡和農村搜救等。
無人飛行器在複雜和危險環境中執行空中監視、偵察和檢查時具有很大的優勢。事實上，無人飛行器比載人駕駛飛機更適合執行枯燥或危險的任務。風險係數低和任務成功率高是無人飛行器系統可繼續擴大使用的兩個主要原因。此外，許多其他的技術、經濟和政治因素也鼓勵了無人飛行器的發展和運行。*先，*新的傳感器、微處理器和推進系統比以往任何時候都更小、更輕、更有潛力，從而帶來了超越人類極限的耐力、效率和自主性。第二，無人飛行器已成功應用於戰場，在許多任務中部署成功，這些因素帶來了更多的資金和大量的生產訂單。第三，無人飛行器可以在危險和污染的環境中操作，也可以在其他不允許載人系統的環境中操作。
第1架無人飛行器是在1916年由美國的勞倫斯和斯佩裡製造的。為了製造自動駕駛儀，他們開發了一個用來穩定機體的陀螺儀，這就是所謂的”姿態控制”的開始，它後來被用於飛機的自動轉向。然而，由於當時實用技術的不成熟，無人飛行器並沒有在第1次世界大戰或第二次世界大戰中使用。
無人飛行器的發展從20世紀50年代末正式開始。在越南戰爭或冷戰期間，無人飛行器全面的研究和開發持續到70年代。後越南戰爭時代，美國和以色列開始研發更小更便宜的無人飛行器。這些小型飛行器採用了摩托車或雪地車使用的小引擎，可以通過攜帶的攝像機將圖像傳輸到操作員的位置。
1991年海灣戰爭中，美國軍方將無人飛行器投入實際使用，此後軍用無人飛行器迅速發展。NASA作為這一時期民用無人飛行器研究的中心，*典型的例子就是基於環境研究的無人飛行器和相關的傳感器技術項目，它開始於20世紀90年代，是一個包含延長飛行技術、提升發動機性能、提高傳感器精度的綜合研究。
在*近幾十年裡，為了增加無人飛行器的飛行耐力和有效載荷，不同尺寸、耐力水平的無人飛行器被投入生產和應用中。因此，本書將根據無人飛行器的特性（氣動外形、尺寸等）對其進行分類，通常分為以下四類。
（1）固定翼飛行器，指的是需要跑道起飛和降落或彈射器發射的無人駕駛飛機（帶機翼）。這些飛機通常具有長續航能力，並能以高巡航速度飛行，如圖1-1所示。
圖1-1 固定翼飛行器
（2）旋翼飛行器又稱旋翼無人飛行器或垂直起降無人飛行器，它具有懸停能力和高機動性的優點。這些能力在許多機器人任務中都很有用，特別是在民用領域。旋翼飛行器可能有不同的配置，包括主、尾旋翼（常規直升機）、同軸旋翼、串聯旋翼、多旋翼等，如圖1-2所示。
圖1-2 旋翼飛行器
（3）飛艇，像熱氣球一樣，是一種依靠大氣浮力升空的航空器，也屬?浮空器。它的耐力持久，但飛行速度較低，一般都是大尺寸的，如圖1-3所示。
圖1-3 飛艇
（4）撲翼無人飛行器，是受鳥類和飛蟲的啟發，具有靈活或變形小翅膀，通過機翼主動運動產生升力和前進力的飛行器，如圖1-4所示。
圖1-4 撲翼無人飛行器
旋翼飛行器利用發動機產生的動力旋轉螺旋槳來獲得旋翼飛行器運動的升力，升力的大小可以通過螺旋槳轉速的變化來進行調節 。因此旋翼飛行器可以實現垂直起降，同時在空中保持懸停的狀態。通過調整旋翼飛行器的懸停位置和姿態可以使飛行器實現對任務目標的接近，而在限定的任務環境中實現旋翼飛行器起飛與降落則需要依賴其垂直起降的能力。因此，旋翼飛行器更智能、更靈活、更適合在以室內生活為主的城市中完成各項飛行任務。其次，與固定翼飛行器相比，旋翼飛行器的機動性能優秀，能從飛行目標的任意方向或角度完成飛行任務。這也意味著如何實現對旋翼飛行器的有效控制是十分具有挑戰性的。旋翼飛行器保證有效控制和實現穩定飛行任務的關鍵在於如何進一步提高傳感器和執行器的性能指標，同時優化控制算法以適應不同的控制需求。近年來，隨著微電子、傳感器技術和先進控制算法的高速發展，旋翼飛行器控制研究也成為無人飛行器控制領域的熱點方向。
單旋翼飛行器是旋翼飛行器中*傳統的機型，早期關於旋翼飛行器的控制問題多以單旋翼飛行器為研究目標展開分析[7-10]。由於單旋翼飛行器內部複雜的機體結構，不僅使得飛行器製造成本高昂，同時也會造成機體保養和維護的難題。從1950年開始，無人飛行器領域湧現了大量新型的旋翼飛行器機型，其中備受關注的是碟形飛行器，即共軸雙旋翼和非共軸四旋翼。與其他旋翼飛行器相比較而言，碟形飛行器具有反扭矩能使飛行器扭矩平衡、機體結構更為緊湊等優點[11]。因此，四旋翼飛行器（quadrotor unmanned aerial vehicle，QUAV）新穎別致的佈局結構、*樹一幟的飛行模型，引起了學界廣泛的研究熱潮，越來越多無人飛行器的飛行動力學控制研究將四旋翼飛行器控制作為其研究方向。
如圖1-5所示，四旋翼飛行器由前、後、左、右四個螺旋槳組成類十字形的機身平面結構。四旋翼飛行器的旋轉平面平行於機身平面，因此由四個轉子產生的升力方向總是垂直於機身平面。當給定四旋翼飛行器的飛行任務為前向運動和側向運動時，四旋翼飛行器需要調整機體的俯仰和滾轉角度產生完成前向運動和側向運動所需的總推力。這意味著四旋翼飛行器需要在一個螺旋槳的旋轉速度提升時，減少對應另一個螺旋槳的旋轉速度，即實現四旋翼飛行器同向螺旋槳的轉速調整，形成機體的俯仰和滾轉運動，完成所指定的前向運動和側向運動。
在實際的姿態控制中，由於機體本身慣量較小，螺旋槳旋轉時微小的改變都會影響飛行器機體運動，造成系統偏轉的誤差，從而阻礙飛行任務的完成。因此，姿態控制作為無人飛行器控制技術的神經中樞和核心，研究四旋翼飛行器姿態控制研究十分具有挑戰意義和應用價值。
圖1-5 四旋翼飛行器
1 2 無人飛行器姿態控制的主要問題與挑戰
近年來，無人飛行器系統由於其高機動性和完全自主性，受到了廣泛的研究[12]，同時也為機械系統控制問題的創新提供了諸多可實行性的方案[13]。在所有類型的無人飛行器中，四旋翼飛行器具有良好的機動性、穩定性和多功能性，同時系統包含豐富的非線性動態性能，這也使其成為驗證各種先進控制算法的理想平臺[14]。
四旋翼飛行器實現有效飛行任務的前提是設計滿足精度需求的姿態控制，這也是進一步對四旋翼飛行器控制系統進行設計、優化、建模和控制等研究的基本保障。四旋翼飛行器的姿態控制是指以某一參考坐標系為基準，實現從原始方向到目標方向的機動過程。四旋翼飛行器姿態控制主要包括兩個方面[15]：?姿態鎮定，即考慮系統的未知擾動，使四旋翼飛行器以給定精度的姿態保持其恒定狀態；?姿態跟蹤，即考慮系統的未知擾動，使四旋翼飛行器以給定精度完成原始姿態到目標姿態的運動過程。
四旋翼飛行器姿態控制系統是一個典型的具有強耦合、非線性等複雜特性的多變量系統，考慮其飛行任務的多樣性和特殊性，如何能實現姿態控制系統更高的控制精度、更快的收斂速度和更強的魯棒性是十分困難的。固定時間控制不同於一般控制僅實現系統狀態的漸近穩定或者有限時間穩定，它可以進一步保證系統狀態在固定時間內的穩定收斂。固定時間控制不僅提高系統瞬態的收斂速度，同時收斂時間的上界對系統初始狀態的依賴性較小。而自適應控制器又能根據控制對象和干擾動態的變化自動修正控制增益保證系統狀態的穩定收斂。因此，固定時間自適應控制方法，不僅對含有未知非線性不確定性的QUAV姿態控制系統有更強的魯棒性，而且能以更高的控制精度和更快的收斂速度完成各種飛行任務。
綜上，本書將以四旋翼飛行器姿態控制系統作為研究對象，以固定時間控制和自適應控制方法為研究基礎，考慮存在執行器飽和與故障、慣性不確定性和未知外部干擾等情況下的系統姿態快速鎮定和高精度軌跡跟蹤控制問題。
1 3 研究現狀
四旋翼飛行器姿態控制方法研究引起了國內外專家學者的廣泛關注和討論。本節 將綜述四旋翼飛行器姿態控制中的不同控制方案。
比例-積分-微分（proportional integral derivative，PID）控制技