基于ADRC姿态解耦的四旋翼飞行器鲁棒轨迹跟踪

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1、2015年6月第41卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2015V01．41No．6http：}}bhxb．buaa．edu．cn、buaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0392基于ADRC姿态解耦的四旋翼飞行器鲁棒轨迹跟踪杨立本+，章卫国，黄得刚(西北工业大学自动化学院，西安710129)摘要：针对欠驱动四旋翼飞行器的控制特性，提出一种基于自抗扰控制(ADRC)

2、的姿态解耦控制算法，该算法可以克服传统欠驱动四旋翼控制方法中存在的问题，如系统状态间耦合严重，抗干扰能力弱及系统建模误差对跟踪性能影响较大等弱点．该算法利用扩张状态观测器(ESO)实现状态间耦合项的跟踪和估计，同时ESO也可实现对系统干扰的估计，干扰包括系统内扰和外扰．利用动态反馈线性化将非线性MIMO系统转化成线性SISO系统，然后利用非线性反馈控制律实现四旋翼姿态系统的高品质控制，在上述姿态解耦控制的基础上研究飞行器的鲁棒轨迹跟踪问题，不同情况下的仿真结果验证了上述姿态控制算法可提高系统轨迹跟踪的鲁棒性．该算法不依赖于精确的

3、系统模型，降低了实际应用的难度，并有很强的抗干扰能力，具有实际应用的价值．关键词：自抗扰控制；四旋翼；动态反馈线性化；解耦；粒子群优化；干扰估计中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)06．1026．08四旋翼飞行器是一种欠驱动系统，具有4个控制输入和6个自由度，它是一种静不稳定系统，需要实时对系统控制才能保证飞行器的稳定⋯．四旋翼飞行器具有4个独立的电机分别驱动，可以在差动力矩的作用下，实现俯仰和滚转运动，偏航运动由两组旋翼产生的反扭力矩之差实现，总升力为4个旋翼产生的升力之和．文献[2-6

4、]分别基于PID、H。、模糊控制、LQ控制、回路成型理论设计四旋翼飞行器的控制器，文献[7-8]针对四旋翼飞行器的非线性模型研究了基于反馈线性化的控制问题，而反馈线性化是建立在系统精确建模的基础之上的，系统建模误差对控制效果影响较大．文献[9．10]研究反步法控制问题，反步法同样需要建立精确的系统模型，并且抗干扰能力较弱．文献[11]研究了基于动态面的四旋翼控制方法，该方法可有效降低反步控制中的导数爆炸问题，但仍然无法从根本上解决反步控制对精确系统模型的依赖问题．文献[12—13]研究了欠驱动滑模控制问题，滑模控制具有较好的鲁棒

5、性，但是由于这类算法并未对系统干扰进行实时估计，当干扰较大时，其控制效果并不理想。可见上述控制方法对控制对象的参数变化及外界干扰较为敏感且都未实现其各个控制通道的解耦．文献[14．15]利用自抗扰控制实现了四旋翼飞行器的姿态解耦控制，但是并未深入研究飞行器的轨迹跟踪问题，并且对自抗扰控制的参数优化并未做深入的研究和分析．本文针对欠驱动四旋翼飞行器的控制特性，设计一种基于自抗扰控制的四旋翼飞行器姿态解耦控制算法．可以实现对四旋翼飞行器姿态控制系统的动态解耦线性化，本文利用ESO实现系统对总扰的实时估计，最后实现对系统耦合项及干收稿

6、日期：2014-07431；录用日期：2014-09—19；网络出版时闻：2014．10．1409：ll网络出版地址：WWW．enki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0392．html基金项目：国家自然科学基金(61374032)；航空科学基金(20125853035)+通讯作者：杨立本(1982一)，男，甘肃庆阳人，讲师，yangliben0880@163．(20111，主要研究方向为欠驱动飞行器自主控制、自修复控制等．；f用格式：杨立本，章卫目，黄得刚．基于ADRC姿态解

7、耦的四旋翼飞行器鲁棒轨迹跟踪fJJ．北京航空航天大学学报，2015，4I(6)：1026—1033．YangLB，ZhangWG，HuangDG．RobusttrajectorytrackingforquadrotoraircraftbasedonADRCattitudedecoupliugcontrolLJ3．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics．2015．41(6)：1026-1033(inChinese)．第6期杨立本，等：基于ADRC姿态解耦的四旋翼

8、飞行器鲁棒轨迹跟踪1027扰的实时补偿，仿真结果表明系统解耦效果优良，并在姿态解耦的基础之上研究飞行器的鲁棒轨迹跟踪问题．由于自抗扰解耦控制算法中参数较多，本文利用粒子群优化算法对参数进行整定．1QuadrotorUAV模型选用机体坐标系描述飞行器的运动，坐标原