四旋翼飞行器鲁棒自适应抗干扰姿态控制

四旋翼飞行器鲁棒自适应姿态控制器设计
堵湘君;曹东;李春涛
【期刊名称】《兵工自动化》
【年(卷),期】2018(037)008
【摘要】为实现四旋翼飞行器姿态的稳定控制,针对该系统的非线性、易受外界干扰和参数摄动影响等问题,提出一种鲁棒自适应控制方法.首先通过分析四旋翼飞行器的工作原理,建立了动力学模型;其次在线性化飞行器模型的基础上,设计了基于最优二次型鲁棒伺服控制方法的姿态控制器;然后应用模型参考自适应控制方法设计了自适应补偿器消除系统不确定性的影响;最后对加入了鲁棒自适应控制的飞行器进行仿真.仿真结果表明:该控制器具有稳定精确的指令跟踪性能和强鲁棒性,能够在复杂环境下实现稳定良好的姿态控制.
【总页数】7页(P41-47)
【作者】堵湘君;曹东;李春涛
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京 211106;南京航空航天大学自动化学院,南京 211106;南京航空航天大学自动化学院,南京 211106
【正文语种】中文
【中图分类】TP368.1
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领航中国 NAVIGATION CHINA中国航班 CHINA FLIGHTS10四旋翼飞行器的自抗扰飞行控制方法自抗扰控制器方法能否应用于四旋翼飞行器的飞行控制系统中？本文就自抗扰控制器的工作原理和基本组成对这个问题进行解答。

针对四旋翼飞行器低速飞行或悬停状态，本文提出了一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法。

在仿真平台上进行了稳定性控制和高度控制实验，并与PID控制系统进行了比较。

仿真结果表明，基于自抗扰控制器的四旋翼飞行器飞行控制系统具有良好的动态特性、稳态精度和鲁棒性。

本文设计的自抗扰控制器可应用于四旋翼飞行器飞行控制系统。

四旋翼飞行器是目前最为普遍的旋翼无人机类型，具有垂直起降、造价成本低，结构简单等优势，被广泛的应用于侦查、喷洒农药等工作中。

四旋翼飞行器的控制系统常用的方法有PID法、滑模法、LQ 法等。

目前来看，最为常用的是PID法。

但由于P I D 控制器的控制目标和实际的输出之间存在误差，抗干扰的能力较低，并不能满足四旋翼飞行器对于自扰模式的发展要求，综上所述，本文对四旋翼飞行器自抗扰方式进行分析。

四旋翼飞行器动力学模型四旋翼飞行器主要由独立对称的四个螺旋桨和四个独立电机构成，机械原理方面，主要是通过三个身体周和六个自由度轴组合而成，运用牛顿-欧拉为基础原理，完成了四旋翼飞行器动力学模型。

考虑到低速四旋翼飞行器的飞行条件或室内外条件，本设计假定四旋翼飞行器是刚性对称的，将旋翼的中西和飞行器的中心之间的垂直距离的影响忽视，同时对于其他方面的额外部干扰也进行忽视。

基于上述假设的四旋翼飞行器动力学模型如下：其中滚转角φ、俯仰角θ、偏航角ψ为了在不丧失通用性的情况下建立飞机的动力学模型，进行四旋翼飞行器假设：一，主体是均匀对称的；二，飞行器的中心位置和坐标的起源相一致；三，阻力，重力等方面的因素；四，在各个方向的张力与螺旋桨速度的平方成正比。

自抗扰控制器设计自抗扰控制器原理自抗扰控制器需要扩展状态观测器作为设计的基础，对实际的补偿功能进行最基本的研究。

四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人机，可以垂直起降和定点悬停，具有灵活性和机动性。

它的飞行控制技术可以分为姿态控制和位置控制两种基本类型。

姿态控制是指控制飞行器姿态（包括横滚、俯仰和偏航），而位置控制则是控制飞行器的定点飞行或航线飞行。

下面将对这两种控制技术进行详细介绍。

一、姿态控制技术1. 传统PID控制PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个分量的组合来调节系统的输出。

在四旋翼飞行器中，PID控制可以用来控制姿态，使飞行器保持平稳的飞行状态。

通过对角速度和角度的反馈控制，可以实现对飞行器姿态的精确控制。

但是PID控制也存在一些问题，比如对于非线性系统和参数变化的系统，PID控制的性能会受到影响。

2. 模糊控制模糊控制是一种可以应对非线性系统和模糊环境的控制方法。

在四旋翼飞行器中，可以利用模糊控制来实现对姿态的精确控制。

通过建立模糊规则库，可以将模糊的输入与输出进行映射，实现对飞行器姿态的控制。

模糊控制可以有效地应对系统的非线性特性，但是对规则库的设计和参数的选择需要较大的经验和技巧。

3. 神经网络控制4. 遗传算法控制遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，可以用来优化系统的控制参数。

在四旋翼飞行器中，可以利用遗传算法来寻找最优的姿态控制参数，从而实现对飞行器姿态的精确控制。

遗传算法能够全局寻优，但是需要大量的计算资源和较长的优化时间。

1. GPS定位控制GPS定位是一种全球定位系统，可以实现对飞行器位置的精确控制。

在四旋翼飞行器中，可以利用GPS定位进行位置控制，实现定点飞行或航线飞行。

通过GPS模块获取飞行器的位置信息，可以实现对飞行器位置的精确控制。

但是GPS在室内或密集城市地区信号可能不太可靠。

3. 惯性导航控制惯性导航是一种通过加速度计和陀螺仪获取飞行器运动信息，并通过积分计算得到飞行器位置信息的导航方法。

在四旋翼飞行器中，可以利用惯性导航进行位置控制，实现对飞行器位置的精确控制。

四旋翼飞行器的姿态解算及控制时代的发展伴随着社会不断的变迁，也伴随着各行业的不断发展。

特别是随着信息技术的不断成熟和创新，更多复杂的、繁琐的行业都引入了智能化、远程遥感的相关技术，而四旋翼飞行器就是当前时代的一类科技产物，可以用于气象观测、航拍等多个方面，而研究其相应的设计流程以及对于以往设计问题的改革，也是当下研究的热点话题。

标签：四旋翼飞行器；姿态解算；控制设计0 引言对于姿态解算与飞行管控往往是四旋翼飞行器的设计关键点，而对于以往的四旋翼飞行器而言，通常会运用到捷联式惯性导航设计，但是往往会出现姿态漂移，而且各类条件下，飞行器的飞行状态并不接近，而且以往姿态解算控制方式往往无法达到机体姿态的准确解算与稳定管控。

而就此，笔者将通过本文，就四旋翼飞行器的姿态解算及控制方面入手，将进行具体的分析和研究。

1 四旋翼飞行器系统原理一般四旋翼飞行器组成主要是以X型机架为基础，飞行控制模块设置在机架核心处，而转动电机则设定在X型架的各个末端，有电动机直接启动螺旋桨转动，从而实现飞行器的上升起飞。

而且在同一条直线上的电机均属于相同方向的转动，这也意味着不处于同一直线的电机转动方向是相对的，这类设计主要是为了减少陀螺效应和空气动力扭矩效应产生的影响，也能避免飞行器在飞行过程中自我旋转，而且一般飞行器的姿态位置调控均是以所有电机运转速度快慢配合实现的。

主要是的系统设计方法是把传感器感知的原始参数以算法解算，然后取得机体运行的姿态参数，最后在进行整体性的姿态解算，而且需要参考遥感取得的相关参数，将其与当下姿态参数进行对比，算出控制设备需要输入的数据量，然后通过相应整理，整合为相应的管控命令，以调整电机运转速度，最后达到姿态调控的效果。

但是，传感器在采用MEMS器件时带来的零漂误差以及四旋翼飞行器其本身欠驱动等特性，也让机体姿态的解算和飞行控制成为整个设计的难点。

2 常规姿态解算和控制误差存在的问题表现运用常规姿态解算取得姿态角参数时，往往会因为本身数据的误差而导致姿态计算参数出现较大的偏移，若是将已经偏移的姿态参数作为一般PID的输入参数，以实现对四旋翼飞行器的姿态管控，往往会导致角速度出现骤变，最终导致最终机体姿态角度和口标角度的误差较大，飞行器飞行出现失衡问题。

四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种利用四个独立旋转的螺旋桨来实现飞行的航空器。

它可以垂直起降，并且具有灵活的飞行能力，因此在无人机、航拍等领域得到了广泛的应用。

要保证四旋翼飞行器的安全飞行，飞行控制技术起着至关重要的作用。

本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述，包括飞行原理、飞行控制系统、姿态稳定控制、导航控制、避障技术等方面的内容。

一、飞行原理四旋翼飞行器的飞行原理是利用四个螺旋桨产生的升力来支撑整个飞行器，再通过改变螺旋桨的转速和倾斜角来实现飞行方向和姿态的控制。

螺旋桨的旋转产生的气流通过空气动力学原理产生升力，从而支持飞行器的重量。

通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角，可以控制飞行器的上升、下降、向前、向后、向左、向右的运动。

利用螺旋桨的差速旋转可以实现飞行器的姿态控制，从而使得飞行器可以实现各种飞行动作。

二、飞行控制系统飞行控制系统是四旋翼飞行器的核心部件，它由传感器、处理器、执行器等多个部分组成，用于感知环境、执行控制指令，实现飞行器的姿态稳定控制、导航控制和避障等功能。

传感器用于获取飞行器的姿态、位置、速度等信息，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等。

处理器用于处理传感器获取的数据，并根据飞行器的姿态、位置和控制指令来生成执行器的控制信号，执行器包括电动调节器和螺旋桨。

飞行控制系统的核心是飞控芯片，它是飞行控制系统的“大脑”，负责控制飞行器的姿态稳定、导航和飞行动作的执行。

常用的飞控芯片包括Pixhawk、Naze32、Ardupilot等，它们具有强大的计算能力和丰富的控制算法，可以实现飞行器的高度稳定性和精确控制。

三、姿态稳定控制姿态稳定控制是指通过控制飞行器的姿态角度来实现飞行器的稳定飞行。

四旋翼飞行器的姿态包括俯仰角、横滚角和偏航角，分别对应飞行器绕前后轴、左右轴和上下轴的转动姿态。

姿态稳定控制主要通过改变四个螺旋桨的转速和相对倾斜角来实现，可以采用PID控制算法、自适应控制算法等方法来实现。

飞行器姿态控制中的鲁棒控制技术研究航空航天领域一直是科技研究的重点之一，而飞行器的姿态控制技术更是其中的重要组成部分。

飞行器姿态控制的目的是保证飞行器在空中保持稳定的飞行状态并实现各种飞行动作。

其中，鲁棒控制技术成为近年来研究的热点之一。

鲁棒控制技术是指针对系统参数变化、外界干扰等不确定因素的干扰，仍能保证控制系统整体性能稳定的一种控制方法。

在飞行器姿态控制中，由于飞行环境的变化、系统参数的漂移以及传感器的误差等各种因素，传统PID控制器难以有效控制飞行器姿态。

而鲁棒控制技术在此类复杂环境下，具有更为良好的控制性能。

鲁棒控制技术应用于飞行器姿态控制，主要分为两个方面：鲁棒控制器设计和鲁棒控制方法研究。

一、鲁棒控制器设计鲁棒控制器是鲁棒控制技术的核心，控制器的性能决定了整个系统的鲁棒性。

针对传统PID控制器在姿态控制中存在的问题，研究人员提出了多种鲁棒控制器设计方法，如H∞控制器、μ合成鲁棒控制器、基于模型参考自适应控制器等。

其中，H∞控制器是一种经典的鲁棒控制器，其设计方法主要是通过约束控制系统的灵敏度函数，从而达到鲁棒控制的目的。

而各种鲁棒控制器的性能评估，在鲁棒性能、收敛速度、稳态误差等多个方面都需要进行综合考虑。

在设计鲁棒控制器时，需要充分考虑传感器误差、飞行器非线性问题、系统参数变化等因素，并采用现代控制理论和数学方法，建立适当的数学模型，从而设计出合适的鲁棒控制器。

二、鲁棒控制方法研究除了鲁棒控制器设计，鲁棒控制方法的研究也是飞行器姿态控制中不可或缺的一部分。

常见的鲁棒控制方法包括自适应控制、滑模控制、非线性控制等多种方法。

自适应控制是一种基于参数估计和适应性调节的控制方法。

通过在线识别系统参数的变化，并根据变化的大小和方向进行调整，实现有效的飞行器姿态控制。

在自适应控制中，为了保证控制系统的稳定性，需要采用合适的适应律和控制策略，以弥补系统模型误差和外界干扰。

滑模控制是一种特殊的控制方法，通过构造一个具有滑动模态的控制面，使得控制系统能够沿着该滑动模态快速收敛。