四旋翼飞行器姿态控制系统优化设计

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1、第34卷第5期计算机仿真2017年5月文章编号：1006—9348(2017)05—0112一04四旋翼飞行器姿态控制系统优化设计杨鹏飞(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古自治区包头014000)摘要：由于四旋翼飞行器的控制系统存在非线性、强耦合性、欠驱动性等问题。在捷联惯导测量单元中的累积误差大．导致姿态控制系统设计困难。为解决上述问题，提出了扩展的卡尔曼滤波器和UD分解滤波算法相结合的方式．并结合经典PID控制算法，实现了四旋翼飞行器的姿态控制系统的优化设计。经过仿真验证和实际测试表明，扩展的卡尔曼滤波器和UD分解滤波算法能够得到长时间稳定高精度

2、的姿态数据，再应用PID控制算法，能够实现四旋翼飞行器稳定有效的姿态控制输出，达到了设计的目的。关键词：四旋翼飞行器；数据滤波；扩展的卡尔曼滤波器；分解滤波算法；闭环控制中图分类号：V249文献标识码：BOptimalDesignofAttitudeControlSystemforaQuad-RotorAircraftYANGPeng—fei(CollegeofInformationEngineering，InnerMongoliaUniversityofScience&Technology，BaotouInnerMongolia014000，Chi

3、na)ABSTRACT：Inordertosolvetheproblemsofnonlinear，strongcoupling，underactuationanderroraccumulationofinertialmeasurementunitinquad—rotoraircraft，thepaperproposedafiheringmethodwhichcombinedextendedKal—manfilterwithUDdecompositionfilteringalgorithm．CombinedwiththeclassicalPIDcont

4、rolalgorithm，thepaperre·alizedtheoptimizationdesignforthequad-rotoraircraftattitudecontrolsystem．Thesimulationandactualtestshowthatthemethod，canbestableforalongtimeandhashighaccuracyofattitudedata．KEYWORDS：Quad-rotoraircraft；Datafiltering；ExtendedKalmanFiher(EKF)；Decompositionf

5、ilteringalgo-rithm；Closed—loopcontrol1引言四旋翼飞行器具有结构简单、重量轻、体积小、成本低、起降灵活、机动性强、受地形影响小等优点．被广泛应用于军事和民用领域。四旋翼飞行器姿态控制系统设计是四旋翼研究的核心问题之一。但是由于四旋翼飞行器控制系统具有的非线性、强耦合性、欠驱动性以及采用捷联惯导测量单元(inertialmeasurementunit．IMU)带来的累积误差等难点问题，导致控制系统设计困难。为解决IMU带来的累积误差问题，现阶段普遍采用互补滤波算法，但由于其解算精度较低，稳定性较差，不适合四旋翼飞行器

6、对姿态数据稳定与高精度的要求，因此，本文提出了扩展的卡尔曼滤波器(ExtendedKalmanFilter，EKF)和UD分解滤波算法相结合的方式对传感器数据进行滤波融合，得到了长时问稳定高精度的姿态数据。结合经典的PID控制算法，得到了稳定有效的控制输出，并通过仿真与实际测试收稿日期：2016—06—03修回日期：2016—07—07—112一验证了该系统的性能。L．一。i。口。in击。。。日。。。击。。。占j铲乜，一]㈦由牛顿第二定律可得线运动方程，。一足。；)／m=(∑：：。。F。(sin咖sin砂+c。s咖c。s吵sinp)一KlX)／mF，

7、一巧)／m一4。：。F。(一sin咖c。s妒+c。sqbsin砂sinp)一巧)／mF：一mg—K3z)／m=(4。：。F：(c。s币c。sp)一K3z)／，n—g(3)根据力矩平衡原理得角运动方程f净=l(一一F2磁o)／L{(：b=f(F，一Fi憨$)门，(4)峰=(F。一疋+B一■一K6tfi)／Iz定义U。、U2、U3、U4为四旋翼飞行器的四个独立控制通道的控制输入量fUl=Fl+R+F3+F4{％=F4一F2(5)‘{3)U=B—F。L以=Fl—F2+B一■式中U。、％、U3、U分别为飞行器的垂直方向的控制量、横滚控制量、俯仰控制量和偏航控

8、制量。结合线运动方程和角运动方程．忽略系统阻力系数，系统数学模型简化为降=Ul(sin咖sin砂+cos咖c