无人机姿态控制系统设计及仿真

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1、第33卷第7期计算机仿真2016年7月文章编号：1006—9348(2016)07-0158-04无人机姿态控制系统设计及仿真张兴文，陈铭，曹飞，马艺敏(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：在无人机飞行姿态优化控制的研究中，由于无人飞行器空气动力学特性复杂，受空气扰动、测量噪声等因素影响，难以建立精确控制数学模型。为此提出一种双闭环复合控制策略，对外环姿态采用动态逆控制生成目标角速率，内环角速率控制采用扩张状态观测器以及滑模变结构控制相结合的复合控制策略，并对控制策略进行了用专业飞行模拟

2、软件X-plane和仿真计算软件MATLAB进行数字仿真。仿真结果表明，上述控制策略能够在不需要建立飞行器精确模型的前提下实现被控对象姿态的精确跟踪，具有很强的鲁棒性和自适应能力。关键词：无人机；滑模变结构控制；动态逆；扩张状态观测器中图分类号：V271．4文献标识码：BDesignandSimulationofUAVAttitudeControlSystemZHANGXing-wen，CHENMing，CAOFei，MAYi-min(SchoolofAeronauticScienceandEngineerin

3、g，BeringUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)ABSTRACT：Aerodynamiccharacteristicofunmannedaerialvehicle(UAV)iscomplex，whichisaffectedbythefactorssuchasairdisturbance，SOitisdit五eulttoestablishaccuratemathematicalmodelofUAV．Thispaperputfor

4、-wardadoubleclosed-loopcompoundcontrolstrategyfortheUAVattitudecontrolsystem，theouterloopgeneratedthetargetangularratebydynamicinversioncontrol，andtheinnerloopangularratecontrolstrategyWasdesignedwithextendedstateobserverandslidingmodevariablestructurecontr0

5、1．SimulationexperimentwastakenbasedonMAT-LABandX—planewhichisaprofessionalflightsimulationsoftware．Thesimulationresultsshowthattheproposedcontrolstrategycanensurethecontrolledobjectattitudeaccuratetrackingwithouttheaccuratemodel，andhasstrongrobustnessandadap

6、tiveability．KEYWORDS：Unmannedaerialvehicle(UAV)；Side—slidevariablestructurecontrol；Dynamicinversion；Extendedstateobserver1引言无人机高速度、远航程和长航时的性能特点使其具有广阔的用途和发展前景，目前被广泛应用于航拍、运输、巡逻、救护等多个领域，具有重要的军事和民用价值。关于无人机系统的研究在过去的二十年中得到了空前的发展，其自主飞行控制作为主要的研究领域之一备受关注。无人机系统空气动力学特性

7、复杂，气动特性受空气干扰影响大，作为一个多变量、非线性时变系统，其模型复杂及建模难的问题为实现无人机自主飞行的控制器设计带来了挑战，针对无人机建模及控制器设计问题，国内外学者进行了大量的研究工作⋯。本文针对无人机姿态控制系统设计了一种双闭环复合控制策略并进行了仿真验证。其中，外环姿态控制采用动态收稿日期：2015—10—22．--——158·--——逆方法生成目标角速率指令；内环角速率控制采用滑模变结构控制器保证飞行器角速率控制稳定性及有参数摄动情况下的鲁棒性，扩张状态观测器用于观测并补偿角速率模型中的未建模动

8、态，最终实现了无人机姿态控制系统强鲁棒自适应控制。针对本文提出的姿态控制策略进行基于专业飞行模拟软件X—plane和MATLAB的数字仿真，实验结果表明该复合控制策略能够在不需要建立飞行器精确模型的前提下实现被控对象姿态控制的准确跟踪，具有很强的鲁棒性和自适应能力。2无人机姿态模型无人机作为六自由度刚体，其姿态运动模型如下所示[；]=J一㈨M]]：蔷coso蔷cos,J．／E!I㈩小，