四旋翼无人机设与滑模控制仿真

四旋翼无人机滑模轨迹跟踪控制器设计
王大伟;高席丰
【期刊名称】《电光与控制》
【年(卷),期】2016(023)007
【摘要】针对四旋翼欠驱动、强耦合非线性系统轨迹跟踪问题,提出了一种滑模轨迹跟踪控制策略.基于典型牛顿-欧拉动力学模型,无人机控制系统分为了全驱动子系统(Ψ,z)和欠驱动子系统(x,y,(φ),θ).全驱动子系统先通过终端滑模控制器使变量Ψ,z 收敛到理想值,然后二阶滑模控制器实现欠驱动子系统中变量x,y,(φ),θ的有效跟踪,二阶滑模控制器滑模面参数通过Hurwitz稳定性理论设计.控制器通过
Matlab/Simulink进行仿真,仿真结果表明,设计的控制器位置和姿态控制具有良好的位置、角度跟踪效果,且具有很好的鲁棒性.
【总页数】5页(P55-58,63)
【作者】王大伟;高席丰
【作者单位】太原理工大学机械工程学院,太原 030024;河北工业大学机械工程学院,天津 300130
【正文语种】中文
【中图分类】V249.1
【相关文献】
1.变负载四旋翼无人机的轨迹跟踪控制器设计 [J], 安帅;袁锁中;李华东
2.基于扩张状态观测器和反步滑模法的四旋翼无人机轨迹跟踪控制 [J], 张建扬;于
春梅;叶剑晓
3.基于滑模控制的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制 [J], 刘凯悦;冷建伟
4.基于双幂次趋近律的滑模轨迹跟踪控制器设计 [J], 耿新;孙忠廷;尚文武;柏建军
5.一种轮式移动机器人滑模轨迹跟踪控制器设计及其参数优化方法 [J], 高兴泉;丁三毛;黄东冬;刘志成;肖新宇
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基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证四旋翼无人机已经广泛应用于军事、民用、科研等领域，其控制算法研究是一个重要的问题。

在四旋翼控制中，抗干扰能力是至关重要的，因为四旋翼无人机在飞行过程中可能会受到各种来自外部环境和内部因素的干扰。

本文基于matlab平台，通过搭建仿真环境，对四旋翼控制算法的抗干扰能力进行验证。

一、建立仿真模型本文中所采用的四旋翼模型为一架四轴飞行器，它由四个相互独立的直流无刷电机驱动，每个电机带有一个螺旋桨。

四旋翼的运动状态可以用三个欧拉角来描述，即俯仰角、翻滚角和偏航角。

通过编写matlab程序，可以实现四旋翼模型的动态模拟，同时也可以实现其控制算法的仿真。

二、控制算法设计在四旋翼控制中，通常采用PID控制器来实现对飞行器的控制。

PID控制器是一种经典的控制算法，其原理是通过比较实际输出值和期望值之间的偏差来计算调整量，最终实现对输出量的控制。

本文中所采用的PID控制器包含三个控制回路，分别对应俯仰角、翻滚角和偏航角，其数学公式如下：$$ \begin{aligned} u_{p}&=K_{p}e(t) \\u_{i}&=K_{i}\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau \\ u_{d}&=K_{d}\frac{d}{dt}e(t)\end{aligned} $$其中，$u_{p}$、$u_{i}$、$u_{d}$分别为比例、积分、微分控制器的输出，$e(t)$为期望值与实际输出值的偏差，$K_{p}$、$K_{i}$和$K_{d}$为三个控制回路的系数。

三、抗干扰验证为了验证PID控制器的抗干扰能力，本文采用了三种干扰信号进行仿真实验，分别为：1. 噪声干扰：给四旋翼的传感器信号添加随机噪声，模拟实际飞行中的传感器噪声。

2. 风速干扰：给四旋翼模型增加风速信号，模拟实际飞行中的不同风速情况。

将三种干扰信号分别加入到PID控制器中，测量其对欧拉角的影响。

基于matlab的四旋翼控制仿真与抗干扰验证二、四旋翼控制系统建模1. 四旋翼飞行动力学模型四旋翼飞行器由四个相对的旋翼组成，每个旋翼通过改变叶片的转速来产生升力和前进力，因此其飞行动力学模型可以用以下动力学方程描述：\[ \begin{pmatrix} {F} \\ {M_{\phi}} \\ {M_{\theta}} \\ {M_{\psi}} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} {1} & {1} & {1} & {1} \\ {0} & {-l\cos\phi} & {0} & {l\sin\phi} \\ {l\cos\theta} & {0} & {-l\sin\theta} & {0} \\ {-d} & {d} & {-d} & {d} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} {\omega_1^2} \\ {\omega_2^2} \\ {\omega_3^2} \\ {\omega_4^2}\end{pmatrix} \]F 代表合力， M_{\phi} 、 M_{\theta} 、 M_{\psi} 分别代表绕x轴、y轴和z轴的力矩， \phi 、 \theta 、 \psi 分别代表滚转角、俯仰角和偏航角， \omega_1 、\omega_2 、 \omega_3 、 \omega_4 分别代表四个旋翼的转速， l 代表旋翼到质心的距离， d 代表绕旋翼传动轴的摩擦系数。

2. 四旋翼控制系统模型四旋翼控制系统主要包括姿态控制、高度控制和航向控制三个部分。

姿态控制通过控制各个旋翼的转速来实现飞行器的姿态变化，高度控制通过控制总的升力来实现飞行器的高度变化，航向控制通过控制飞行器的偏航角来实现飞行器的航向变化。

四旋翼控制系统模型可以用以下状态空间方程来描述：\[ \dot{x} = Ax + Bu \]x 代表系统的状态变量， u 代表系统的输入变量， A 代表系统的状态矩阵， B 代表系统的输入矩阵。

系留四旋翼无人飞行器滑模控制算法研究李中健;杨宸骅;朱亚龙【摘要】系留四旋翼无人飞行器是将四旋翼无人飞行器和系留缆绳结合起来设计的新型飞行器,它综合了四旋翼无人飞行器和系留浮空器的优点.针对系留四旋翼无人飞行器飞行控制问题,本文首先对系留缆绳进行建模,然后根据牛顿-欧拉方程建立系留四旋翼动力学模型,该动力学模型是一个不稳定的非线性系统.由于控制量和输出量的不对等及各通道间的强耦合性,考虑到模型受到外界干扰,本文使用滑模控制方法进行控制系统设计,最后进行了仿真实验.仿真结果显示该系统抗干扰能力与鲁棒性较好,具有参考价值.%Tethered quadrotor UAV is a new type of aircraft which combines the quadrotor UAV and the tethered cable .It incorporates the advantages of the quadrotor unmanned aerial vehicle and the tethered airplane .To begin with ,contraposing the flight control problem of tethered quadrotor UAV ,this paper deals with the establishment of tethered cable model and tethered quadrotor UAV's dynamic model which is an instable nonlinear system .Due to the unsymmetry of input,output and the strong coupling of the system and considering the interference of circumstance ,this paper then utilizes method of sliding mode control to design control system. Finally,the system is tested by simulation .The result of simulation manifests that the control system performs fine immunity from interference and robustness .Hence ,it provides a reference.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)003【总页数】6页(P160-164,169)【关键词】四旋翼飞行器;系留缆绳;滑模控制;MATLAB仿真【作者】李中健;杨宸骅;朱亚龙【作者单位】西北工业大学自动化学院,陕西西安710129;西北工业大学自动化学院,陕西西安710129;西北工业大学自动化学院,陕西西安710129【正文语种】中文【中图分类】TN98近几年，由于四旋翼无人飞行器结构简单、操作容易、成本低廉、便于搭载各种相关设备，它已经逐渐成为控制领域研究的一大热点。

四轴飞行器的建模与仿真摘要四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。

本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。

四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。

本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。

在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。

动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。

关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulinkModeling and Simulating for a quad-rotoraircraftABSTRACTThe quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the aircraft and a variety of state of motion, and Newton - Euler model with reference to the four-rotor aircraft.Then the simulation is done in the software of Matlab/simulink.Keywords: Quad-rotor，The dynamic mode, Matlab/simulink目录一．引言 (1)1.1 简介 (1)1.2研究背景 (2)1.3目标和内容 (2)二．飞行器建模 (2)2.1 机体质心运动模型 (2)2.2 机体角运动模型 (4)三．仿真与分析 (6)3.1仿真平台和参数选取 (6)3.2仿真过程 (8)3.2.1飞行器的升降运动仿真 (8)3.2.2飞行器的滚转运动仿真 (9)3.2.3飞行器的俯仰运动仿真 (9)3.2.4飞行器的偏航运动 (10)3.3 仿真结果分析 (11)四．结论 (12)参考文献 (13)一．引言1.1 简介四旋翼飞行器也称为四轴飞行器，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器，可以实现各种的运行状态,如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等四旋翼飞行器是一种无人机，无人机和有人飞机比较,具有体积相对较小,造价也比载人机低很多,使用非常的方便,在各种复杂的作战环境都可以进行作战等优点。

四旋翼无人机控制系统设计分析摘要：针对四旋翼无人机受干扰时姿态控制效果差的问题，提出了基于深度学习的无人机控制系统设计。

系统选用STM32芯片进行控制，采用MEMS传感器采集姿态调节数据，选用NRFNRF51822芯片实现远距离监控和参数调节，电源模块采用TP4059芯片供电，并对电池电量进行监控。

构建深度学习目标控制模型，运用深度学习算法设计无人机控制器，保证系统处于一种高动态平衡稳定状态，提高了无人机的控制精准度，对处理突发性群体事件具有重要意义。

关键词：四旋翼无人机；深度学习；姿态控制；STM32四旋翼无人机是一种能够垂直起降的自主飞行器[1]，具有结构简单、便于悬停及垂直起降的特点，同时具有较为良好的可控性，既在近地监视与侦察等军事任务中有着广泛的应用[2]，又在环境监测、森林防火、农业植保等民用方面具有广阔的研究和应用前景[3]。

由于四旋翼无人机是一个非线性、欠驱动、强耦合且存在多个变量的控制对象[4]，为较好的完成四旋翼无人机的位姿控制，本文根据深度学习的原理，设计了一种基于STM32的四旋翼无人机控制系统。

1无人机控制系统总体设计四旋翼无人机主要由机架、飞行控制器、导航与定位系统、自动避障系统等组成，无人机控制系统负责控制无人机飞行，控制系统的性能决定了无人机飞行的稳定性。

本控制系统总体框图如图１所示。

主控制器主要完成控制电路初始化、驱动外围模块电路，以及核心算法处理等操作；姿态检测模块负责将姿态传感器采集到的位置信息输入到算法单元进行估算，并将获取的此刻及下一时刻的姿态信息传送到控制模块，通过测算下一步动作实现无人机姿态调节；通过主控制器提供的四路PWM波完成直流电机的控制和调节；电源管理模块提供适配电压给各模块电路；无线通信模块负责远距离通信。

1、1主控制器作为飞行控制器的核心，主控制器负责接收四旋翼无人机的各项控制指令，在无遥控信号输入时自主完成飞行。

本设计选用ST公司的STM32F4作为主控芯片。

基于滑模控制的无人机姿态稳定控制研究无人机在现代航空领域扮演着越来越重要的角色。

然而，无人机姿态的稳定控制一直是一个挑战性的问题。

为了解决这个问题，研究人员一直在不断探索各种姿态控制方法。

其中，基于滑模控制的无人机姿态稳定控制研究成为了一个热门方向。

本文将对基于滑模控制的无人机姿态稳定控制方法进行深入研究和探讨。

无人机姿态稳定控制的目标是实现无人机在飞行过程中的稳定姿态，以提高飞行性能和控制精度。

为了实现这个目标，滑模控制被广泛应用于无人机姿态控制系统中。

滑模控制是一种非线性控制方法，具有强鲁棒性和抗干扰能力，能够有效地应对无人机飞行过程中的不确定性和外部干扰。

基于滑模控制的无人机姿态稳定控制方法主要分为两个方面：滑模控制律的设计和滑模观测器的设计。

滑模控制律的设计是指根据无人机的动力学模型和控制要求，设计一个具有理想响应特性的滑模控制器。

滑模观测器的设计是指利用观测器来估计无人机的状态，以实现对滑模控制器的反馈。

在滑模控制律的设计中，经典的滑模控制器可以分为两个部分：滑模面和控制律。

滑模面是指通过引入一个额外的自适应参数，使得无人机系统在滑动模式下达到稳定。

控制律是指根据滑模面和系统状态，计算出控制输入，以实现对无人机系统的稳定控制。

在滑模观测器的设计中，一般采用延迟观测器或者自适应观测器来估计无人机的状态。

为了实现基于滑模控制的无人机姿态稳定控制，需要首先建立无人机的动力学模型。

无人机的动力学模型一般基于欧拉角参数化，包括飞行器的姿态角和角速度。

然后，根据无人机动力学模型和控制要求，设计滑模控制器的滑模面和控制律。

滑模面的设计可以利用随时间改变的函数来实现。

控制律可以采用线性定常控制或非线性反馈控制来实现。

接下来，设计一个滑模观测器来估计无人机的状态。

滑模观测器可以通过估计无人机的输出误差和系统状态，来实现对滑模控制器的反馈。

在进行基于滑模控制的无人机姿态稳定控制研究时，需要考虑以下几个方面。

基于反步法的四旋翼飞行器自适应滑动模态控制陈智勇;王斌;张良力;胡知川【摘要】Aiming at the control problems of system parameter uncertainty and external disturbance randomness of the non-linear quadrotor aircraft model,a design method of the adaptive sliding mode controller based on the backstepping method is pro-posed. The kinetic model of the quadrotor aircraft is simplified into two parts:under-driving and full-driving. The appropriate Lyapunov function is selected to estimate the corresponding uncertainties,and the adaptive sliding mode control law is obtained by feedback recursion of the backstepping method to improve the adaptability of the aircraft to external environment change. Ac-cording to the method,the controller was designed and simulation verification was completed in Matlab/Simulink environment. The results show that the adaptive sliding mode control method based on the backstepping method for the quadrotor aircraft has better adaptability and robustness than the non-adaptive control method.%针对四旋翼飞行器非线性模型系统参数不确定性和外界干扰随机性的控制问题,提出一种基于反步法的自适应滑模控制器设计方法.将四旋翼飞行器动力学模型进行简化分解为欠驱动和全驱动两个部分;对相应的不确定性进行估计,选取适当的Lyapunov函数,采用反步的方法回馈递推得到自适应滑模控制律,从而提高飞行器对外界环境变化自适应能力.依据该方法在Matlab/Simulink环境下进行控制器设计并完成仿真验证.结果表明,基于反步法的四旋翼飞行器自适应滑动模态控制方法比非自适应控制方法具有更好的适应性和鲁棒性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】6页(P6-10,14)【关键词】四旋翼飞行器;滑模控制器;反步方法;滑模控制律;设计方法;动力学模型【作者】陈智勇;王斌;张良力;胡知川【作者单位】武汉科技大学信息科学与工程学院,湖北武汉430081;武汉科技大学信息科学与工程学院,湖北武汉430081;武汉科技大学信息科学与工程学院,湖北武汉430081;武汉科技大学信息科学与工程学院,湖北武汉430081【正文语种】中文【中图分类】TN967.6-340 引言四旋翼无人机具有低成本、高灵活性、体积小、重量轻的优势，已广泛用于军事领域和民用领域。

基于滑模控制的四旋翼无人机姿态跟踪研究杨永强【摘要】由于应用广泛,四旋翼无人机近年来得到了众多科研人员的关注.本文首先利用Newton-Euler法建立了四旋翼无人机六自由度运动学和动力学模型,并在此基础上设计了基于反步法、滑模控制和动态面理论的姿态跟踪控制器:实际姿态与期望姿态间误差作为控制器输出,无人机所受合力与各方向力矩作为控制器输出.最后,通过Matlab对无人机控制系统进行数值仿真,仿真结果表明了所设计姿态控制器的可行性和有效性.【期刊名称】《中国新技术新产品》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】3页(P125-127)【关键词】四旋翼无人机;反步法;滑模控制;姿态跟踪【作者】杨永强【作者单位】安徽省淮北市第一中学,安徽淮北 235000【正文语种】中文【中图分类】V2490 引言由于具有成本低、使用灵活、体积小等优点，无人机在军事和民用领域均有广泛的应用。

依据平台构型，无人机可分为固定翼式、旋翼式和扑翼式等。

而在旋翼式无人机中，四旋翼无人机以其结构简单、使用灵活、易于起降等优点，成为近年来旋翼式无人机研究中的热点。

但是，由于四旋翼无人机体积较小、飞行灵活、周边流场具有非定常性，因此其控制模型具有较大不确定性，且易受突风干扰。

此类未建模动态与外界强扰动对四旋翼无人机控制系统提出了更高的要求，因此如何建立具有强鲁棒性的飞行控制系统是四旋翼无人机的关键技术之一。

目前对四旋翼无人机飞控系统的研究主要集中于动力学建模和控制器设计等方面。

飞控计算机通过获取当前无人机状态计算分布于旋翼支架端部的4个电机所需转速，并对其进行控制。

由于无人机独立执行机构少于其系统自由度，因此四旋翼无人机为欠驱动系统。

故四旋翼无人机具有较强的非线性特征且各通道间耦合性强，受扰动影响大，因此难以建立精确，可靠的数学模型。

基于其上述特征，四旋翼无人机控制器设计多采用无模型控制和线性控制等方法。

近年来，有研究人员将动态逆技术、反步法、智能控制技术等非线性设计方法引入四旋翼无人机控制领域，得到了较好的仿真结果，但上述方法均需较为精确的非线性数学模型，且在线计算量较大，均不具有较高的实用性。

基于干扰观测器的四旋翼无人机终端滑模控制方法
陈宝玉
【期刊名称】《计算机应用文摘》
【年(卷),期】2024(40)7
【摘要】针对四旋翼无人机存在外部干扰的问题,提出了一种基于非线性干扰观测器的非奇异终端滑模控制策略,以保证系统的安全性和可靠性。

首先,建立考虑外部干扰的四旋翼无人机动力学模型;其次,设计一种非线性干扰观测器来估计外部干扰的实际值,并结合非奇异终端滑模与反演技术,确保位置和姿态系统能在有限时间内收敛于期望轨迹;最后,通过仿真对比实验,表明所提出的控制方法具有良好的跟踪性能和抗干扰能力,并且其稳定性和鲁棒性均优于传统的滑模控制方法。

【总页数】9页(P90-97)
【作者】陈宝玉
【作者单位】南京菲尼克斯电气有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】V279
【相关文献】
1.干扰观测器补偿的四旋翼飞行器自适应离散终端滑模控制
2.基于高阶滑模观测器的微分滑模四旋翼无人机控制研究
3.基于非线性干扰观测器的四旋翼非奇异快速终端滑模控制
4.基于扩张状态观测器的四旋翼无人机快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制
5.基于有限时间观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法
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