四旋翼飞行器姿态的自抗扰控制研究

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1、第33卷第12期计算机仿真2016年12月文章编号：1006—9348(2016)12—0038—04四旋翼飞行器姿态的自抗扰控制研究高强，刘俊杰，刘文杰(天津理工大学自动化学院，天津300384)摘要：在四旋翼飞行器的姿态控制优化中，针对欠驱动四旋翼飞行器的强耦合和对外扰敏感等问题，提出了一种非线性自抗扰姿态控制器的设计方法。建立四旋翼飞行器的姿态运动模型，并根据模型信息，设计自抗扰姿态控制器。自抗扰控制器通过跟踪微分器(TD)安排过渡过程，利用扩张观测器(ESO)实现状态间耦合项的跟踪和估计，同时实现对系统

2、总扰动的估计，并根据扰动估计值，采用非线性状态误差反馈(NLSEF)进行实时补偿。实验结果表明，所设计的控制器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；扩张状态观测器；非线性状态误差反馈中图分类号：TP391．9文献标识码：BAttitudeRegulationofQuadrotorUAVViaADRCMethodologyGAOQiang，LIUJun—jie，LIUWen—jie(SchoolofElectricalEngineering，Tianjin

3、UniversityofTechnology，Tianjin300384，China)ABSTRACT：TodealwiththestrongcouplingandexternaldisturbancesofthequadrotorUAV，adesignmethodforanonlinearactivedisturbancerejectionattitudecontrollerisproposed．Activedisturbancerej’ectioncontroller(AD—RC)isdesignedacc

4、ordingtoattitudemotionmodelinformationofquadrotorUAV．ADRCcontrollerCanarrangetran—sientprocessbytrackingdifferentiatorandrealizetrackingandestimationofthestatecouplingtermandtotaldisturb-anceofthesystembyextendedstateobserver(ESO)．Atthesanletime，thenonlinear

5、stateerrorfeedbackcontrollawsCancompletereal—timecompensationonthebasisoftotaldisturbanceestimatedbyESO．ThesimulationresultsshowthatthedesignedADRCcontrollerCancompletetheattituderegulationofthequadrotoreffectivelyandhasstrongrobustness．KEYWORDS：QuadrotorUAV

6、；ADRCattitudecontroller；ESO；NLSEF1引言四旋翼飞行器是一种非共轴式蝶形飞行器，具有尺寸小、重量轻、操作简单、机动灵活等特点，能够完成垂直起降、空中悬停、低速飞行和室内飞行等固定翼飞机无法完成的任务，具有显著的民用和军用价值。四旋翼飞行器具有4个独立的输入，而运动具有6个自由度，是一个典型的欠驱动系统，其姿态位置控制存在耦合，姿态角的变化直接影响飞行器的位置，因此对飞行器姿态的控制直接决定飞行器控制效果。常用的姿态控制算法有PID控制⋯，模糊控制旧J，反步控制‘3

7、，滑模控制E4]

8、，反步滑模‘5

9、，Hw[6

10、，鲁棒补偿‘73等，但基金项目：天津市中青年骨干创新人才培养计划项目(20130830)；天津市市级教学团队基金项目(20100415)；天津市高等学校创新团队培养计划资助(TDl2—5015)收稿日期：2016—01一15—38一这些方法都无法从根本上解决对精确系统模型的依赖问题。韩京清教授提出的自抗扰控制(ADRC)旧1能够安排过渡过程，利用扩张状态观测器提取系统状态信息和扰动总和信息，通过状态误差信息来产生非线性误差反馈控制量，并依据扰动估计值对系统进行扰动补偿而生成最终控制量

11、，可以有效解决复杂不确定系统的控制问题。本文针对四旋翼飞行器的强耦合和外扰敏感问题，提出一种非线性自抗扰姿态解耦控制方法，将各姿态通道间的耦合视为系统内部不确定扰动，与外扰一起作为系统总扰动，利用扩张状态观测器实现对系统总扰动的实时估计，并设计非线性误差反馈控制器对扰动进行实时补偿，实验结果表明，所设计的自抗扰控制器能够实现四旋翼飞行器的姿态控制，具有较好的鲁棒性。2四旋翼飞行器模型假