四旋翼无人机陀螺仪实现姿态稳定性控制

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1、第33卷第10期计算机仿真2叭6年10月文章编号：1006—9348(2016)lO一0032—07四旋翼无人机陀螺仪实现姿态稳定性控制马正华，陈杰，陈岚萍，范文韬(常州大学，江苏常州213100)摘要：在无人机飞行安全优化控制的研究中，单一的控制系统通过陀螺仪采集无人机的姿态角度，并用作控制反馈。上述方式已经不能很好的适应当前复杂的飞行环境以及飞行安全性要求。针对无人机能在各种飞行环境中稳定高效的飞行，提出一种通过陀螺仪测控的参数对无人机飞行环境和飞行状态进行判断，自主选择飞行模式，在干扰较小的环境下，为平稳模式，使用反步法控

2、制器控制；在干扰较大的环境下，切换至增稳模式，使用模糊PID控制器控制，在干扰特大环境下，切换至失控模式，实行保护措施。并通过二分中值法找出最佳切换点。仿真结果表明，模式的准确切换能够使无人机适应各种飞行环境，在无人机的飞行精度和安全性方面得到了大大提升。关键词：四旋翼无人机；反步法；切换增稳控制中图分类号：v271．4文献标识码：BGyroscopeaclIieVesthefourrotorUAVattitud伦stabilizationcontrolMAZheng—hua，CHENJie，CHENLan—ping，FANWe

3、n—tao(Ch粕铲h叫Unive玛时，Ch明铲houJi锄gsu213100，China)ABSTRACT：Inorclertoachievestable锄de佑cientni曲tinv撕ousnightenvim咖ents，amethodispmposedtojudgethenightenvironmentaJldnightstatusofUAVbyusingthep踟eters0fgyroscope．AndtheUAVcanautono-mouslych00se￡heni曲tmodes．Undert王1esmallin￡e

4、如rence即vimnment，￡11euAVch00ses￡hes￡a“onarymodewitllthebacksteppingcontmllertocarryouttllecontrolprocess．Andunderthelargeinterfbrenceenvimnment，theUAVcanbeautomaticallyswitchedtotherunawaymodetoimplementthepmtectionmeasures．Theoptimalswitchingpointiscalculatedbybinary

5、medi孤metllod．nesimulalionresultsshowtlIattheacc哪teswitching0fniglItmodecanmakeuAVaccommodatetoavaIietyofnightconditions，肌dc锄greatlyimpmvethenightaccuracyands出tyofUAV．KEYWoRDS：Quad—mtorunmannedairvehicle；Backstepping；Switchingstabilitycontml1引言无人机集航电、控制、导航等计算机技术于一身，是高

6、性能，低成本的设备。因为实现了人机分离，所以被广泛的应用在军事、救灾、侦查、勘测、农业等领域，其发展受到了很多发达国家的特别重视。无人机的稳定飞行是能实现各种复杂任务的前提，如果飞行控制不好，无人机会出现抖动、飞行不稳定甚至摔机现象，不能更好的去完成飞行任务。四旋翼无人机一般通过控制四个电机的转速来实现对无人机的飞行姿态控制，是典型的欠驱动控制系统，其建模过程较复杂，且在不同飞行环境、不同姿态飞行时，无人机的动力学模型会发生很大的变化，所以其抗干扰能力较弱。单收稿日期：2015一11—02修回日期：2015—12—23—32一一

7、的控制器有着各自的优缺点，比如PID控制被广泛的应用于全驱动系统，对于无人机这样非线性，多耦合、欠驱动系统不太适应；自适应控制⋯因其控制量过大，会使系统发生较大的“抖动”，模糊控制鲁棒性好，但在实际控制过程会有暂时的稳态误差；反步法控制建立在准确的动力学模下，收敛速度快，控制精度高，但是鲁棒性差；滑模控制旧1鲁棒性很强，但是无人机的抖动现象会很明显。所以单一的控制器不能满足复杂的飞行环境，比如在大风大雨飞行环境下，更希望选择强鲁棒性的控制器，在风小、雨小环境下，需要收敛速度快、控制精度高的控制器。这样无人机就能适应各种复杂的飞行

8、环境，真正的能实现自主稳定飞行。陀螺仪在无人机航电系统中一般只是采集无人机的姿态角度，并作控制反馈，作用很单一，本文将根据陀螺仪测控的无人机姿态数据进行判断，自主的选择不同的飞行模式，以此切换到最佳控制器；在切换控制的依据条件方面，以往都是专家人为较为随意的设定