关于四旋翼无人机姿态优化控制仿真研究

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1、第34卷第4期计算机仿真2017年04月文章编号：1006—9348(2017)04一01】O—05关于四旋翼无人机姿态优化控制仿真研究邢小军，黄龙亮，范东生，赵亚青(西北工业大学自动化学院，陕西西安710129)摘要：在四旋翼无人机飞行控制系统的研究中，针对某四旋翼无人机进行了姿态优化控制的研究，为了改善四旋翼无人机在飞行过程中姿态的稳定性、动态跟踪特性和抗干扰能力，综合运用动态矩阵控制(DMc)的模型预测控制和串级PID控制实现了对某四旋翼无人机的三轴姿态和高度稳定优化控制律设计和优化。控制律外回路为DMc预测控制器，通过

2、对控制量进行滚动优化和反馈校正提高系统控制精度。内回路为串级PID控制，为DMC预测控制器提供稳定的被控对象和合理的预测模型。通过使某个电机动力部分损失的形式加入干扰，完成数字仿真。数字仿真和实际飞行实验表明，与串级PID控制相比。经模型预测优化控制后的四旋翼无人机姿态调节时间更短、跟踪性能更好。关键词：四旋翼无人机；模型预测控制；姿态控制中图分类号：硼9t．9文献标识码：BTheSimulationResearchonOptimizingAttitudeControlforQuadrotorXINGXiao—jun，HUAN

3、GLong—liang，FANDong—sheng，ZHAOYa—qing(SchoolofAutomation，NorthwestemPolytechnicalUniversity，Xi’anShaIlxi710129，China)ABSTItACT：Instudyonnightcontrolsystemofquadrotor，inordertoimprovethestability，dynamictmckingchaI。actedstics粕danti—interferenceability，theresearchofop

4、timizingcontrolofattitudeisimportant．Inthispaper，annovelcompoundcontrollo百cforquadmtoraltitudeispresented，whichcombinescascadedPID们thdyll啪icmatrixcont“(DMC)．Twocascadedcontroll00psareincluded，theouterisDMCpredictioncontroUerwhichisexenedtopromotethealtitudeaccumcyof

5、quadrotorbyuse0ffeedbacktuningandrecedinghorizon叩timization；theinneristheca8cadedPIDwhichprovidesthepredictionmodeIforDMC．Thedi舀tajsimuIationwascompletedunderthecon-ditionofthepartialpowerlossforamotor．ComparedwiththecascadePIDcontmlmethod，tlledigitalsimulationandni

6、ghtexperimentalrestlltsshowtha￡theoptimizingmethodh酗betterstabilityandbetterm妃kingped豳ance．KEYWORDS：Quadmtor；Modelpredictivecontrol；Attitudecontroll引言四旋翼无人机因具有使用灵活，机动性强，适应性强，扩展功能多样化等特点，在民用、军用、科学研究方面备受青睐⋯。其在使用过程中容易受到外界干扰和自身振动的干扰，导致无人机静不稳定，甚至造成一些飞行事故，因此，通常需要设计飞行控制系统来改

7、善元人机的稳定性、动态跟踪特性和抗干扰能力，以获得更好的飞行性能。目前，针对四旋翼无人机的姿态控制主要采用动态逆控制、变结构控制、H*鲁棒控制器、反步法控制、sliding—mode控制、PID控制等现代或经典的控制理论和方法。2。1，并取收稿日期：2016—06一14修回日期：2016—06—24—110一得了诸多有意义的研究成果，但均存在各种各样的缺点和不足然，没有一种控制方法能完美地实现四旋翼无人机的姿态控制，尤其在受到外界干扰时，姿态控制容易变得不稳定甚至发散，导致飞行任务失败、无人机损坏等后果。相比之下，模型预测控制

8、是一种不确定环境下的优化控制，它能够克服PID控制调参费时、H∞鲁棒鲁棒控制一般工作不在最优状态、动态逆需要精确数学模型等缺点，并且能够改善飞行控制系统的稳定性、动态跟踪特性和抗干扰能力。基于此，提出在建立某四旋翼无人机数学模型的基础上，应用模型预测优化并结合串级PID的控制