四旋翼飞行器自抗扰姿态控制

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1、第33卷第3期计算机仿真2016年3月文章编号：1006—9348(2016)03—0071—05四旋翼飞行器自抗扰姿态控制刘敏，吉月辉，李俊芳，高强(天津理工大学自动化学院，天津300384)摘要：针对四旋翼飞行器状态耦合严重和易受外界干扰等问题，提出了一种自抗扰姿态控制器的设计方法。通过动力学分析建立四旋翼飞行器姿态系统的动态模型，并利用模型信息设计线性扩张状态观测器。将状态耦合视为内部不确定干扰，利用观测器对四旋翼飞行器姿态及内部不确定干扰和外部干扰进行实时估计，进而采取线性状态反馈控制对扰动的估计值

2、进行在线补偿，实现了四旋翼飞行器的姿态控制。基于频域理论，分析了闭环系统稳定性。实验结果表明。所设计的控制系统能够有效实现四旋翼飞行器的姿态控制。并具有较强的鲁棒性。关键词：四旋翼飞行器；自抗扰姿态控制器；线性扩张状态观测器；gt性状态反馈控制中图分类号：TP391．9文献标识码：BActiveDisturbanceRejectionAttitudeControlforQuadrotorAircraftLIUMin，JIYue-hui，LIJun-fang，GAOQiang(SchoolofAutomati

3、on，TianjinUniversityofTechnology，Tianjin300384，China)ABSTRACT：Todealwiththestrongcouplingandexternaldisturbancesofthequadrotoraircraft，adesignmethodforaIlactivedisturbancerejectionattitudecontrollerisproposed．Thedynamicmodeloftheattitudesystemisderivedbyus

4、ingdynamicsanalysis。andthelinearextendedstateobserver(LESO)isdesignedbasedontheinformationextrac-tedfromthemodel．Byregardingthestatecouplingasinternaluncertaindisturbances，theattitudeofquadrotor，in—temalandexternaldisturbancesareestimatedinreal-timebyusing

5、theLESO，andthentheestimatedvalueofdis-turbaneesiscompensatedon—linebythelinearstatefeedbackcontroltoachievethedesiredattitude．Thestabilityoftheclosedsysteminfrequencydomainisalsoanalyzed．TheexperimentalresultsindicatethattheproposedcontrolschemeCanachievet

6、heattitudecontroleffectivelyandhasstrongrobustness．KEYWORDS：Quadrotoraircraft；Activedisturbancerejectionattitudecontrnler；LESO；Linearstatefeedbackcon·trol1引言近年来，四旋翼飞行器的姿态控制研究和应用受到了广泛重视。相比固定翼飞行器，四旋翼飞行器能够完成空中定点悬停、低速飞行和室内飞行等任务，具有显著的民用和军用价值。针对其非线性、强耦合、多变量等特性，且

7、在实际四旋翼飞行系统中会受到多种物理效应的作用以及外部环境的干扰，已开展的研究有反步法控制⋯、滑模控制HJ、鲁棒控制口“3等，研究虽都取得了一定进展，但如何设计对模型依赖程度低、闭环系统鲁棒性强的控制器对于实现四旋翼飞行器的高性能控制具有重要的理论和实际意义。韩京清教授提出的自抗扰控制(ARDC)¨J，可以有效地解决具有复杂结构的不确定系统的控制问题。目前，已经有基金项目：天津市中青年骨干创新人才培养计划项目(20130830)；天津市高等学校创新团队培养计划资助(TDl2-5015)收稿15t期：2015

8、-07-01研究人员将该控制方法应用于四旋翼飞行器系统¨“1，达到快速机动和高稳定度的控制要求。针对ADRC参数过多，难以给定参数整定方法等问题，高志强教授提出线性自抗扰控制器(LADRC)。LADRC只有两个调节参数，结构简单，且物理意义明确，使得它更适合应用于实际系统一o。本文提出了一种四旋翼飞行器自抗扰姿态控制的方法，利用模型已知动态设计了线性扩张状态观测器(LESO)，把各通道间的动态耦合部分视为系统内部