关于四旋翼无人机目标轨迹跟踪控制的研究

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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—0103—05关于四旋翼无人机目标轨迹跟踪控制的研究刘凯悦．冷建伟(天津理工大学自动化学院，天津30038)摘要：针对四旋翼无人机在飞行过程中易受外界干扰影响的问题，提出了利用干扰观测器的滑模控制方法，保证空间轨迹能够快速平滑地跟踪目标信号。首先，为了避免产生奇点，采用单位四元数描述系统姿态；其次，针对位置子系统的欠驱动特性，引入虚拟控制力，同时解算出实际输入升力和目标姿态；再次，考虑到位置和姿态子系统模型中干扰力和干扰力矩的存在，设计了干扰观测器对其进行在线估计，并利用滑模控制方法设计出输

2、入控制律，保证对目标姿态和参考轨迹的跟踪。最后，仿真结果验证了上述系统控制器的有效性和稳定性。关键词：四旋翼无人机；单位四元数；干扰观测器；滑模控制；仿真中图分类号：V249．1：V279文献标识码：BTheStudyontheDesiredTrajectoryTrackingControlofQuadrotorUAVLIUKai—yue．LENGJian—wei(CollegeofAutomation，TianjinUniversityofTechnology，Tianjin300384，China)ABSTRACT：Anobserverbasedslidingmodec

3、ontrolmethodwasproposedforthequadrotorUAVtotrackthede—siredt阳jectoryspeedilyandsmoothlyinthepresenceofexternaldisturbances．Firstofall，toavoidsingularity，theattitudewasdescribedusingunit—quaternions．Secondly，consideringtheunder-actuatedcharacteristicofpositionsubsystem，thevirtualcontrolforc

4、ewasintroducedtocalculatetheactualthrustandthedesiredattitude．Then，twodisturbanceobserversweredesignedtoestimatethedisturbanceforceandmoment．Withtheestimatedvalues，theslidingmodecontrollerwasdesignedtotrackthedesiredattitudeandthereferencetrajectory．Finally，thesimulationshowstheeffectivene

5、ssoftheproposedcontroller．KEYWORDS：QuadrotorUAV；Unitquaternion；Disturbanceobserver；Slidingmodecontrol；Simulation1引言近年来，四旋翼无人机的轨迹跟踪问题已经得到了各国学者的广泛关注⋯。四旋翼无人机具有自由悬停、垂直起降、成本较低和操作简便等优势，使其在民用和军事领域的应用越来越普遍[2]。考虑到四旋翼无人机在飞行过程中会受到外界气流等带来的扰动[3]，使得四旋翼无人机控制器的设计和稳定性分析变得更加复杂。因此对四旋翼无人机而言，在外界扰动存在的情况下，具有对目标轨

6、迹进行精确跟踪的能力是飞行控制系统研究的关键所在[4]。目前．在处理外界干扰带给控制系统的影响的问题上，主要采用自适应控制方法[5]、鲁棒控制方法[61和干扰观测器。其中，干扰观测器设计相对简单，可以抵消外界干扰对无人机系统的影响，性能较为高效[7]。如今，对干扰观测器技术的研究已经日趋成熟。文献[8]考虑到机体质量未知和外界干扰的情况．将反演法与自适应相结合，保证了系统稳收稿日期：2016—06—20修回日期：2016—06—30定运行。但用欧拉角描述姿态会产生奇点，跟踪效果不佳。文献『91针对近空间飞行器模型设计了基于干扰观测器的边界层自适应滑模控制器．能够很好地逼近系

7、统干扰，同时也消除了“抖振”现象。杨柳[10-11]等人通过设计自适应干扰观测器克服了外界干扰和质量的不确定性，获得了良好的跟踪效果。针对四旋翼无人机欠驱动的特性，本文将整个系统分解为位置和姿态两个子系统。很多文献采用欧拉角描述系统姿态，但是不可避免地会产生奇点¨“，因此本文采用单位四元数法表示系统姿态，可以提供简化的控制系统分析与设计并避免奇异现象。此外，考虑到四旋翼无人机在飞行过程中易受到气流、近地效应、桨叶挥舞等外界干扰的影响，本文设计了四旋翼无人机干扰观测器在线逼近外界气流干扰，利用干扰观测值设计控制律．完