四旋翼无人机动态面控制

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1、2016年8月北京航空航天大学学报August2016第42卷第8期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．8http：∥bhxb．buaa．edu．anjbuaa@buaa．edu．anDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0498四旋翼无人机动态面控制方旭，刘金琨+(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083)摘要：针对四旋翼无人机(UAV)飞行器系统欠驱动特点，引入动态面控制方法，对四旋翼UAV的位置和姿态进行控制。考虑到飞行器速度和

2、角速度难以测量，设计高增益观测器得到UAV的速度和角速度的估计值。相对于反演法，动态面控制的设计更简洁，并且通过引入滤波器来求取控制信号中的系统状态的导数项。另外，常用的时标分离方法不能给出全局稳定性分析，本文引入动态面设计控制律保证系统所有信号半全局一致有界，同时给出系统全局稳定性证明。仿真结果表明，四旋翼UAV能快速精确完成目标跟踪。关键词：动态面控制；高增益观测器；四旋翼无人机(UAV)；分离定理；全局稳定性分析中图分类号：V279；TB273文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)08—1777-08最新四旋翼无人机(UAV)吸引了来自不同领域相

3、关机构的兴趣，旋翼类飞机适合军事侦察、货物运输和其他一些对敏捷和精确性要求高的任务¨。1。无人机具有6个自由度和4个输入，是典型的非线性欠驱动系统¨1。Mistler等H1先将无人机线性化，再使用动态反馈法实现了对无人机的控制，xu和0zgtiner¨1通过变换分解，将整个飞行器系统分解为完全驱动系统和欠驱动系统，通过滑模控制实现精确控制。Dierks和Jagan．nathan∞1设计了估计速度的神经网络观测器，观测值用于控制输入的设计，Coza和Macnab【川使用模糊系统实现了对无人机的控制。四旋翼无人机的姿态子系统不包括位置子系统的信息，因此大部分文献采用的是时

4、标分离方法，所谓时标分离方法是指无人机的姿态子系统和位置子系统分开设计控制器，时标分离方法的应用是在假设姿态子系统的收敛速度比位置子系统快的前提下提出的，但是姿态子系统的快速收敛是基于高增益的参数，在控制过程中，高增益参数可能会使控制输入过大，超过控制器的输出范围，此外，在整个系统的稳定性分析上缺乏明确的证明。高增益观测器在非线性系统中应用广泛，其具有设计简单的特点，通过调节增益保证观测器全局指数渐进收敛¨引。反演法是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统¨0

5、，为每个子系统设计李雅普诺夫函数和中间虚拟控制量，通过设计单个李雅普诺夫函数逐步完成整个系统的李雅普

6、诺夫函数设计。Bouabdallah和Siegwart⋯1将反演和滑模结合，用于控制室内小型直升机，Madani和Benalle．gue0121使用反演法和状态估计器来控制无人飞行器。反步法在实现不确定性非线性系统鲁棒控制和自适应控制方面效果很好，由于对虚拟控制求导的过程中可能会出现“微分爆炸”的现象，反步法在高阶系统的应用将会面临“微分爆炸”的不利影收稿日期：2015-07—28；录用日期：2015．10-23；网络出版时间：2015．1I一1910：58网络出版地址：WWW．enki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151119．1058．

7、012．html基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20121102110008)}通讯作者：Tel．：010{2315354E-mail：ljk@buaa．edu．an；f用格式：方旭，刘金琨．四旋翼无入机动态面控制ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(8)：1777．1784．FANGx，LIUJK．Dynamicslli蕾acecontrolforquadrotorunmannedairvehiclefJJ．JournalofBeqingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(8)：1777—17

8、84(inChinese)．1778北京航空航天大学学报2016年响。采用动态面可以消除微分项的膨胀¨3

9、，一般是引入一阶滤波器来获得虚拟控制的导数项¨4

10、。将滤波器的输出作为虚拟信号使控制律设计简化，消除控制律微分项的膨胀。此外，动态面控制的引入能给出四旋翼无人机整个系统稳定性分析。1无人机系统动态模型如图1为四旋冀无人机结构图，其中Oxyz为惯性坐标系，飞行器由4个螺旋桨控制位置和欧拉角，Z为飞行器半臂长，Fi(i=1，2，3，4)为螺旋桨推力形成的扭转力矩，m为无人机质量，g为重力加速度。t_)x图1四旋翼无人机结构图Fig．1Structur