四旋翼飞行器姿态稳定性优化控制研究

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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—0087—04四旋翼飞行器姿态稳定性优化控制研究黄佳奇，吴晓燕，张蕊，马震(空军工程大学防空反导学院，西安710051)摘要：四旋翼飞行器是一种欠驱动、强耦合的非线性系统。针对四旋翼飞行器姿态稳定性优化控制进行研究，在一定的约束条件下。建立了四旋翼飞行器非线性动力学模型。为避免姿态与位置耦合，提高工程应用价值，设计了一种基于反步法的控制器。完成了两次仿真：首先为定点悬停，实验结果表明对于飞行器的位置和姿态控制，所设计控制器都能对定点悬停表现出良好的控制性能；其次为轨迹跟踪，结果表明所设计控制器能够使飞行器按照预

2、定轨迹飞行，实际轨迹与期望轨迹基本重合。两个实验验证了所设计控制器的有效性。关键词：四旋翼飞行器；动力学模型；反步法；仿真中图分类号：V271．4文献标识码：BQuadrotorUAVAttitudeStabilityOptimizeControlHUANGJia—qi，WUXiao-yan，ZHANGRui，MAZhen(AirandMissileDefenseCollege，AirForceEngineeringUniversity，Xi"an710051，China)ABSTRACT：QuadrotorUAVisaunder-driven，stronglycouplednonlinear

3、system．Thispaperfocusesonthequadro·torUAVaircraftattitudestabilitycontr01．Thenonlineardynamicmodelofquadrotorisbuiltundersomeconstraints．Abacksteppingcontrollerisdesignedwhichavoidspositiondecouplingwithorientationandimprovesindustrialappliea-tionvalue．Twosimulationsaleaccomplished：Oneisspothover，th

4、eresultshowsthatthecontrollerhasfavorablecontrolperformanceforspothoverofthepositionandattitudecontrolofquadrotor．Andtheotheristrajectorytrack·ing，theresultshowsthatthecontrollercanmakethequadrotorflyaccordingtothedesiredtrajectoryandtheactualpathandthedesiredtrajectoryappearstomainlyoverlap．Thetwos

5、imulationsverifythatthecontrolleriseffective．KEYWORDS：Quadrotor；Dynamicsmodel；Backstepping；Simulation1引言四旋翼飞行器是一种能够垂直起降、自主悬停、非共轴式多旋翼碟形飞行器⋯，具有很强的机动性和可操作性。四旋翼飞行器一般可分为3类：遥控航模四旋翼飞行器、小型四旋翼飞行器以及微型四旋翼飞行器旧J。微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等)中执行监视、侦察等任务，具有广阔的军事和民用前景。与常规的旋翼式飞行器相比，四旋翼无人直升机成本低廉、性能卓越、结构简单，能够产生更大的升力

6、，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭矩桨。四旋翼姿态运动模型具有明显的非线性，且易受空气动力影响，针对这类具有不确定性的非线性系统目前主要有两种处理方法：1)进行线性化。其中最主要的是反馈线性化方法”1，但是四旋翼非线性系统的逆模型很难求得。文献[4]建模过程分为机体动力学和旋翼电机动力学方程两部分，模收稿13期：2015--08—27修回13期：2015—10—21型过于复杂，不利于控制器设计。2)运用非线性控制技术直接设计控制器。这些技术中反步法的应用越来越广泛。它以镇定和跟踪为目的，在抵消系统非线性和补偿不确定性方面具有较强的优势，文献[5]将角运动和线运动分开考虑，按照内

7、外环分别设计控制器，但设计过程过于繁琐。本文针对四旋翼飞行器建模困难的问题，在一定约束条件下建立了动力学模型。将四旋翼姿态稳定控制分为4个独立的通道分别设计了反演控制器M一”。避免了姿态位置的解耦，保证了闭环系统的稳定性；控制律结构简单，参数容易调整，利于工程实现。2四旋翼飞行器动力学建模为了便于四旋翼飞行器的稳定控制，需要从两个坐标系进行分析和转换。如图1所示，一个为地面坐标系S。={以K乙}，