多旋翼倾转定翼无人机的姿态控制

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1、第3l卷第l期计算机仿真2014年1月文章编号：1006—9348(2014)Ol—0031一05多旋翼倾转定翼无人机的姿态控制王伟，胡镇，马浩，夏曼(南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京210044)摘要：研究多旋翼倾转定翼无人机在直升机模式下的姿态控制优化问题。为了克服常规PID控制器调节参数繁琐、LQR控制器易受实际环境制约、非线性控制器对建模精度要求高并且计算量大等困难，提出一种采用模型的线性二次高斯方法。首先构建飞行器的姿态角模型，然后再采用卡尔曼滤波器与LQI控制器相结合，设计了

2、线性二次高斯控制器。仿真结果表明，设计的控制器具有良好的稳态和跟踪性能，能够实现飞行器在直升机模式下的姿态角优化控制。关键词：无人机；倾转定翼；姿态控制；线性二次高斯中图分类号：N945．12文献标识码：BAttitudeControlfbrMultiTilt—WingUAVWANGWei，HUZhen．MAHao，XIAMin(CollegeofInfonnacionandContml，NanjingUniversityofI山rHlationScience&Technology，N删ingJ

3、iangsu2l(Xm，China)ABSTRACT：ThispapermainlydiscussedthemajorizationoftheatfitudecontroUerdesignforM71w—UAVinheli—coptermodel．InordertoovercomethecomplexityoftheparametersadjustingoftheconventionalPIDcontmller，vul·nerableactualenvironmentalconstmintsof

4、theLQRcontmller，therequirementofh唔hmodelingaccuracyandpro—cessingcapacityofthenonlinearcontmUer，thispaperinvest唔edamodel—basedLQG．Firsc，t}leattifudemodeloftheMTV—UAVwasca而edout．ThenaKalman6lfer—basedlinearquadmficinteg，al(LQI)contmllerwaspmposed．Thes

5、imulationresultsshowthegoodstabilityandtrackingpe而珊a11ceofthedesignedcontmller．Italsoprovesthafamodel—basedcontmldesignisveryusefulfortlleafcitudecontmlforaMTW—UAV．KEYWORDS：UAV；Tilt矗xedwing；Attitudecontml；LQC1引言无人机一般分为固定翼与旋转翼两种类型。常规的固定翼无人机虽然具有巡航速度快、航

6、程远的优点，但是对起飞着陆有场地要求，同时无法进行空中定点悬浮；而旋转翼无人机可垂直起降，对起飞场地要求低，并可在空中悬停来执行任务；综合以上两种无人机的优点，倾转翼飞机在众多垂直起降飞机方案中脱颖而出。欧美各国相继开发了xV一3，xV一15，V一22，BA一609，EagleEye等型号倾转旋翼飞机”。l。这些型号都采用翼梢并列式双旋翼和常规气动布局的总体方案。本文的研究对象多旋翼倾转定翼无人机(MultiTiltwing—unmannedAerialVehicle，M1w—UAV)继承了倾转

7、旋翼机的优点，结合了旋翼机及固定翼机两种飞行器的特长，同时也克服了倾转旋翼机的一部分缺点，采用了倾转定翼机构，最大化的利用气动效率；改变双旋翼为四旋翼结构，巡航模式飞行时，即使其中一个电机发生故障，MTW也能继续飞基金项目：国家自然科学基金(61105115)收稿日期：2叭3—03一14修回日期：2013一04一04行。此外，在直升机模式下四旋翼结构比双旋翼结构具有更高的稳定性。目前，倾转翼飞行器的直升机模式姿态控制大多采用PID控制方法“。但是，在直升机模式时，采用PID控制，飞行器稳定性能不

8、佳，需要优化。文献[9]则采用LQR控制方法，因直升机模式飞行时以垂直起降和悬浮为主，可以认为其飞行过程的倾角较小，因此可以对模型进行线性化并设计基于模型的线性二次控制器。本文以实现MTw的直升机模式下的三轴姿态控制为目标，首先根据动力学原理，对飞行器直升机模式下的姿态角进行建模，然后设计了以线性二次最优控制为基础的LQI控制器’3“1。考虑到系统的部分状态量不易使用传感器测得而无法实现状态反馈并且能够测得的信号也存在较大的噪音。本文引入了卡尔曼滤波器。根据分离原理，将LQI控制器和卡尔曼滤波器