四旋翼无人机的室内自主飞行控制

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1、第32卷第1期计算机仿真2015年1月文章编号：1006—9348(2015)01—0064一05四旋翼无人机的室内自主飞行控制王伟，吴曼，王昱(南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京2l∞44)摘要：为了解决四旋翼无人机在室内等无GPS信号的复杂环境中实现自主飞行的问题，在对四旋翼无人机进行非线性建模的基础上，分别设计了基于反步法结合滑模理论的姿态控制器和基于PID的位置控制器。考虑到激光测距仪高昂的价格，提出一种基于红外传感器和扩展卡尔曼算法(EKF)实现无人机室内自主飞行定位的方法，通过无人机的旋转运

2、动弥补红外传感器每次只能测量单一点距的缺陷。最后，通过仿真验证所设计的控制器和定位算法的性能。wyn】2结果证明了所设计的四旋翼无人机室内自主飞行方法的有效性和可靠性。关键词：四旋翼无人机；反步法；滑模控制；扩展卡尔曼中图分类号：TP391．9文献标识码：BIndoorAutomaticFliglltControl0fQuadrotorAircraftWANGWei，WUMin。W-ANGYu(Sch001ofInf0珊ation＆Con砌，N删ingUniversityofInfo咖ationScience

3、&Tecllllology，N锄jingJi卸gsu2l0044，China)ABSTI渔CT：Tosolvetlleproblemof卸tomaticnightofquadmtorUAVindoorsorinomercomplexenviro砌en协whichlackGPSsi印als，theattitudecontmUerb鸹edonbacksteppingmethodw油8lidingmodeandt}IePIDposmoncontmllerweredesigIledrespectivelyontheb

4、嬲isofnonlinearmodelofquadrotoruAV．consideringt}leh诎研cesoflaser咖ge矗nder，tIlemethodbasedoni血．aredsensors蛐dE】【tendedKalm蚰Filter(EKF)wasproposedtoachieveindoorautonomouslocalization，wIlichmakesuptheshor饪aUtllattlleidhredsensorc觚oIllyme硒ureonepointatatime．吼epe而m

5、allceofmedesi印edcontrollerand山e10calizationalgori炳werevalidatedbysimulationexperi-ments，andthee印erimentalresuhsprovedthevalidityarIdreliabilityofthedesi伊edind00r肌tonomousnig}ltrnet}耐ofquadmtorUAV．KEYwoRDS：Quadmtoraircrm；Backstepping；SlidingmodecontIUl；EKF1引

6、言四旋翼无人机具有成本低廉、远程遥控、可垂直起降等优点，并且可以到达普通人员无法涉足的区域(如核泄漏、细菌污染地区)，因而在军事和商业领域受到广泛的关注，具有广阔的应用前景。由于四旋翼无人机属于典型的非线性系统，控制通道严重耦合，因而要求所设计的控制器具有较强的鲁棒性和稳定性。研究四旋翼无人机的室内自主飞行，其目的在于为无人机在室内或其它复杂环境下完成特定任务提供理论基础，是无人机实现灾害搜救和室内侦查的基本保障。文献[1]基于PD控制器和无线相机设计了四旋翼无人机的室内飞行控制器，通过飞行实验验证了所设计的

7、控制器的稳定性。文献[2—4]基于0pencV库和多目视觉及RGB摄像机实现了小型无人直升机姿态信息的实时计算，解决了高速运动状态下系收稿日期：2014一04—15—64一统的同步问题。文献[5]采用BRM算法结合无损卡尔曼滤波器(uKF)解决了室内飞行的路径规划问题。文献[6]使用激光测距仪结合惯性测量单元IMu解决了无人机室内飞行的同时定位与地图构建问题，实现了无人机在室内走廊的自主飞行任务。本文针对四旋翼元人机具有的多变量、强耦合、欠驱动等特点，设计了基于反步法结合滑模的非线性控制器。在此基础上，提出了

8、结合红外传感器和扩展卡尔曼滤波算法的四旋翼无人机室内飞行定位控制系统。滑模控制具有响应速度快、鲁棒性强、物理实现简单等优点，在控制领域得到了广泛的应用‘7o。扩展卡尔曼滤波算法通过从一组有限的但包含噪声的物体位置的观测序列中预测出物体的位置坐标及速度，从而实现无人机全局定位。2无人机建模本研究自主研发的四旋翼无人机如图1所示，其主体结构采用碳纤维材料，以获得较轻的重量和较高的强度。飞行动力由四个高性