基于模型预测的四旋翼无人机位置控制算法研究（论文）

目 录第1章 绪论 11.1无人机发展历史 11.2课题背景及研究意义 21.3研究现状 31.4 文章结构 4第2章 四旋翼无人机数学模型 62.1四旋翼无人机机械结构与运动方式 62.2坐标系与坐标变换 82.3四旋翼无人机数学模型 102.4本章小结 11第3章 模型预测控制器设计 123.1模型预测控制的发展与应用 123.2模型预测控制简介 133.3模型预测控制器设计 163.4本章小节 18第4章 四旋翼无人机位置控制仿真 194.1实验平台简介 194.2位置控制建模 194.3仿真结果 214.4本章小节 25第5章 基于自适应模型预测的四旋翼无人机位置控制 265.1引言 265.2模型参考自适应控制简介 285.3控制器设计 305.4仿真结果对比 325.5 本章小结 35第6章 四旋翼无人机位置控制GUI设计 366.1MATLAB GUIDE工具箱简介 366.2四旋翼无人机位置控制GUI界面 376.3 本章小结 40第7章 总结与展望 427.1工作总结 427.2未来展望 42参考文献 44致 谢 45附录 46插图和附表清单图 11 AR.Drone 和Inspire2无人机 2图 21四旋翼无人机机体结构 6图 22 Parrot AR.Drone2.0四旋翼无人机 7图 23坐标系示意图 9图 24 四旋翼无人机姿态角定义 9图 31控制系统框图 17图 41位置控制的三种形式 20图 42锯齿形参考路径 21图 43 参考轨迹 21图 44 定点控制结果 22图 45锯齿形路径跟随 23图 46 正方形轨迹跟踪结果 23图 47圆形轨迹跟踪 24图 48 “8”字形轨迹跟踪 24图 49 螺旋形轨迹跟踪 25图 51 非线性误差下仿真结果 27图 52 MRAC系统框图 28图 53 自适应MPC系统框图 30图 54 三角函数拟合非线性误差MPC和MPC-MRAC控制器效果对比 33图 55 二次函数非线性误差MPC和MPC-MRAC控制器效果对比 34图 56三次函数非线性误差MPC控制器效果 34图 57三次函数拟合非线性误差MRAC控制器效果 35图 61 GUIDE工具基本界面 37图 62 四旋翼位置控制GUI主界面 37图 63 MPC控制器界面 38图 64 GUI参考轨迹界面 38图 65 自适应MPC界面 39图 66 参考路径选择 39图 67 MPC控制器效果 40图 68 自适应MPC与MPC控制效果对比 40主要符号和术语表被控对象状态、参考模型状态、目标位置控制指令模型参考自适应看算法原理被控对象和参考模型控制量、模型预测控制输出被控对象、参考模型横坐标被控对象纵坐标、参考模型纵坐标被控对象高度、参考模型高度被控对象偏航角、参考模型偏航角被控对象横坐标速度、参考模型横坐标速度被控对象纵坐标速度、参考模型纵坐标速度前进通道控制量侧向通道控制量高度通道控制量偏航通道控制量被控对和参考模型跟踪误差被控对象和参考模型状态矩阵被控对象和参考模型控制矩阵模型预测控制成本函数模型预测控制时域模型预测预测时域模型预测算法状态权重矩阵模型预测算法控制权重矩阵李亚普洛夫稳定矩阵求解李亚普诺夫函数的权重矩阵控制律被控对象状态系数控制律参考指令系数未知权重系数拟合非线性误差状态系数自适应率参考指令系数自适应率未知权重系数自适应率PD控制器比例系数PD控制器微分系数1.4 文章结构第一章介绍了无人机的发展与应用、本课题的研究背景及研究意义然后介绍了四旋翼无人机位置控制算法的研究现状。第二章首先分析四旋翼无人机机械结构与运动方式然后建立位置控制的机体坐标系和参考坐标系最后介绍Parrot 公司的AR .Drone 2.0无人机的数学模型。第三章首先介绍模型预测控制的发展过程、基本原理推导了最优解的求解过程然后基于四旋翼无人机数学模型设计了位置控制的模型预测控制器并绘制 控制系统框图。第四章首先介绍本文实验仿真平台MathWorks公司的可视化编程工具箱Simulink然后介绍了四旋翼无人机常用的位置控制类型并建立位置控制参考轨迹模型最后仿真了四旋翼无人机模型预测控制器在不同参考轨迹下的控制效果。第五章首先分析模型预测控制算法现有的不足提出自适应MPC的方案然后介绍模型参考自适应控制MRAC的发展与应用分析MRAC算法的原理推导了控制作用的求解过程然后设计了四旋翼无人机的自适应模型预测控制器绘制了控制系统框图最后在四旋翼无人机模型存在非线性误差的情况下仿真验证了自适应MPC的效果并与模型预测控制做了对比。第六章借助MATLAB的GUIDE工具箱设计了四旋翼无人机位置控制操作界面利用GUI界面的交互式操作功能综合仿真了模型预测控制和自适应MPC在四旋翼无人机位置控制中的控制效果。第七章总结了本文的主要工作对后续工作内容做展望。