【摘 要】
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随着AI技术飞速发展,智能控制技术在无人系统控制领域被广泛应用,四旋翼无人机就是其中之一。不同于经典构型的无人机,四旋翼无人机凭借其结构特点,可以通过更简单的控制方式飞行,但由于其四输入、六自由度的特性,导致系统是静不稳定的,且具有非线性、欠驱动、强耦合等特点,是一种典型的不确定非线性系统。云模型控制理论是以使用计算数据模拟出人为的控制效果为主体思想,在不需要精准被控对象的模型的情况下,通过云模型
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随着AI技术飞速发展,智能控制技术在无人系统控制领域被广泛应用,四旋翼无人机就是其中之一。不同于经典构型的无人机,四旋翼无人机凭借其结构特点,可以通过更简单的控制方式飞行,但由于其四输入、六自由度的特性,导致系统是静不稳定的,且具有非线性、欠驱动、强耦合等特点,是一种典型的不确定非线性系统。云模型控制理论是以使用计算数据模拟出人为的控制效果为主体思想,在不需要精准被控对象的模型的情况下,通过云模型定性推理的办法,以达到复杂非线性系统的控制需求,不但能够保存受控对象以及环境中存在的不确定性,并且对于系统状态参数以及状态的改变具有较好的适应性和鲁棒性,具有强大的非线性处理能力。本文的创新之处在于将云模型理论应用于四旋翼无人机控制系统中,并且引入遗传算法对二维复合云模型的驱动因子进行自整定优化。本文的工作从以下几个方面展开:(1)非线性动力学建模。采用欧拉方程和牛顿力学定律分析四旋翼无人机的飞行原理,针对四旋翼无人机的三种线运动以及三种角运动的六个自由度运动方式,推导出其气动力和力矩特性,求出了四旋翼无人机的非线性全状态反馈方程,为进一步研究控制算法奠定基础。(2)设计四旋翼无人机控制系统及一维复合云模型控制器。根据四旋翼无人机的非线性动力学模型,采用一种内外环和增加虚拟控制量的方法对模型进行解耦,并设计出实验所需的控制系统;基于一维云模型推理映射算法设计了一维复合云模型控制器,并进行了相关仿真对比实验。(3)设计四旋翼无人机二维复合云模型控制器。四旋翼无人机实际工作环境存在不确定性扰动影响,针对一维复合云模型控制器在存在外界干扰的情况时控制效果不佳的问题,引入二维云模型推理映射算法,设计出一种二维复合云模型控制器,并在相关假设环境中进行仿真实验。(4)设计遗传算法优化的二维复合云模型控制器。由于四旋翼无人机的强耦合特性,依赖经验知识和调试整定的云模型驱动因子难以达到最佳控制效果,为了实现真正意义上的云模型参数自整定控制器,引入遗传算法理论对设计的二维复合云模型控制器进行优化,使用遗传算法计算驱动因子,并进行相关仿真对比实验。
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