基于自适应动态规划的四旋翼飞行器姿态控制研究

来源 :北京交通大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:vlee46
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四旋翼飞行器具有结构简单,操作灵活等优良特性,广泛应用于人类活动中,同时也成为了当下研究的热点。飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心系统,其中姿态控制是飞行控制系统的关键。四旋翼飞行器系统具有非线性、强耦合等诸多复杂特性,并且飞行环境复杂,难以建立精确的模型,因而四旋翼姿态控制是飞行控制系统设计的一个难点。为了克服这些困难,本文将自适应动态规划算法(Adaptive Dynamic Programming,ADP)应用于四旋翼飞行器的姿态控制系统设计中,并进行了一系列的仿真实验,验证算法的有效性。针对ADP姿态控制器计算量大的问题,本文将ADP算法与事件触发机制相结合,并通过仿真实验研究其控制性能。本文主要内容如下:(1)采用传统控制算法设计姿态控制系统。通过分析四旋翼飞行仿真器的运动原理,建立其状态空间模型,并采用PID算法设计姿态控制系统,然后在Simulink环境下进行了仿真实验,研究PID姿态控制器的阶跃响应曲线。针对四旋翼飞行器能量受限的问题,采用LQR算法设计姿态控制器,在性能指标函数中加入了对控制量的约束。同样,对LQR姿态控制器进行了仿真实验并进行了结果分析。(2)针对四旋翼飞行器系统建模困难,能量受限的特点,采用ADP算法设计姿态控制器。本文首先将四旋翼姿态跟踪问题转化为最优调节问题,然后设计了包含跟踪误差和控制能耗的性能指标函数,采用ADP算法求解最优控制问题。给出了两种算法:值迭代算法和策略迭代算法,并采用神经网络实现了两种算法。在仿真中,分别研究了两种算法所设计控制器的控制性能,并与PID、LQR控制器进行比较。结果表明,ADP控制器能够取得较好的控制效果。(3)针对ADP姿态控制器计算量大的问题,本文将事件触发机制与ADP姿态控制器相结合。仿真实验表明,基于事件触发的四旋翼ADP姿态控制器可以有效减少控制器更新次数,并保证了较好的控制性能。
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