无人机四旋翼飞行姿态稳定性控制优化

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1、第33卷第10期计算机仿真2016年10月文章编号：1006—9348(2016)10—0043一05无人机四旋翼飞行姿态稳定性控制优化李方良，李铁鹰，王耀力(太原理工大学信息工程学院，山西太原030024)摘要：在无人机飞行姿态稳定性优化控制的研究中，针对系统噪声复杂的飞行控制，常规PID控制器具有一定局限性，控制器的参数难以自动调整，飞行姿态稳定效果不理想。针对上述问题与难点，研究了卡尔曼滤波器与常规PID控制器相结合的控制优化算法。利用MATLAB平台进行仿真，仿真结果表明设计的控制器跟踪性能较为理想。并搭建了以NI

2、MyRJ0—1900为核心控制器的硬件平台进行测试，飞行试验表明设计的卡尔曼滤波PID控制反应快，超调量小。验证了对于无人机四旋翼飞行姿态稳定性控制的优化算法可行有效。关键词：四旋翼飞行器；姿态控制；卡尔曼滤波中图分类号：11P273文献标识码：BniglItAttitIldeS讪mtyControlOptilIlizationforQuadRotorU姗a蛐edAirVelIicleUFang—liang，UTie—ying，WANGYao—li(CollegeofIr怕珊ationEngineering，Taiyll锄

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6、tshowthatthedesi印edPIDcontmlb够edonKalIn肌Filterh舾矗坞tresponse蚰dsmallove娼hoot．Itveri6esthattheoplimiz“蚰algorithmusedforfotIr—mtorCAVnig}Itanitudestabil时c∞trDli8fe鹊i-bleande饪bctive．KEYWoRDS：Quadmtoraircmft；Attitudecontml；Kalm锄filter1引言四旋翼飞行器结构简单、相对载荷能力强、垂直起降和机动性能好，能够很

7、好地进行空中拍摄、监视、侦查等功能，在军事和民用上具备广泛的应用前景。要使飞行器能良好地保持某一个姿态进而做出各种复杂动作，除取决于良好的机体设计外，还需要具有鲁棒性强的飞行控制系统。研究人员针对四旋翼飞行器的姿态控制问题提出了很多智能控制算法：例如反步法怛1、滑模控制算法口1、基于ES0的欠驱动鲁棒控制¨o等。由于智能控制算法在运行复杂的浮点型运算以及矩阵运算时，微处理器计算能力受限，难以达到飞行控制实时性的要求，而PID控制简单，易于实现，且收稿日期：2015一10—28修回日期：2016—0l一02技术成熟，因此目前

8、主流的控制策略主要是围绕传统的PID控制展开。PID控制的基本思想是将偏差的比例、积分和微分三参数通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制。采用PID控制时，系统控制品质的优劣取决于上述三参数的整定，但在运动控制领域中，对控制品质的要求越来越高，且控制对象越来越复杂，特别是在具有强干扰噪声的工业过程中，由于PID控制器具有局限性，控制器的参数难以自动调整，不能达到理想的控制效果。对于系统中存在过程及测量噪声，状态变量受到污染，还有一些变量由于多种原因不能在线检测的问题，都可以利用卡尔曼滤波技术进行滤波和估值。因此本文针对

9、常规PID控制器的局限性问题，提出了基于卡尔曼滤波器与传统的PID控制相结合的控制优化算法，一43—通过仿真验证控制器的性能，并搭建了以NIMyIuO一1900为核心控制器的硬件平台进行测试，实验证明该算法得到很好的控制效果。2四旋翼飞行姿态控制系统的原理2．1机体模型为准确描述微型四旋翼飞行器在空间的