基于反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪研究

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1、第33卷第5期计算机仿真2016年5月文章编号：1006—9348(2016)05—0078-06基于反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪研究滕雄，吴怀宇，陈洋，余辉(武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北武汉430081)摘要：在四旋翼飞行器航迹跟踪优化控制的研究中，四旋翼飞行器具有欠驱动和强耦合的特点，在对设定轨迹进行跟踪时，容易出现控制精度较低、抗干扰能力差等问题。针对以上问题，设计了一种采用反步法的轨迹跟踪方法，运用牛顿一欧拉公式建立四旋翼飞行器的动力学模型，将四旋翼飞行器的飞行控制系统分解为上下、前后、左右、偏航四个子系统，应用反步算法为四个子系统

2、配置控制律，实现四旋翼飞行器对设定轨迹的精确跟踪。实验结果表明，所提算法能够让四旋翼飞行器实现对所设定轨迹精确的跟踪，最大跟踪误差不超过6cm。关键词：四旋翼；动力学模型；反步法；轨迹跟踪中图分类号：TP301．6文献标识码：BTrajectoryTrackingofQuad-RotorAircraftsBaseonBackstepping1ENGXiong，WUHuai-yu，CHEN-Yang，YU-Hui(SchoolofInformationScienceandEn西neefing，WuhanUniversityofScienceandTe

3、chnology，WuhanHubei430081，China)ABSTRACT：Duetotheunder—actuatedandstrongcouplingcharacteristicsofquad-rotoraircrafts，traditionaltrajec—torytrackingmethodshavelowcontmlprecisionandpooranti-interferenceability．Atrajectorytrackingmethodbasedonbacksteppingalgorithmisdesigned．Inthi

4、smethod，thedynamicmodelofthequad-rotoraircraftsisestablishedbyusingtheNewtonEulerequation．Theflightcontrolsystemofthequad-rotoraircraftsisdecomposedintofoursub—systems，whicharetheupperandlower，thefrontandrear，theleftandright，andtheyaw．Andthebacksteppingal-gorithmisusedtoobtain

5、controllawofthefoursubsystemstoachievetheprecisetrajectorytracking．Theexperimen·talresultsshowthattheproposedalgorithmcanachievetheaccuratetrajectorytrackingofquad—rotoraircrafts，andthemaximumtrackingerrorislessthan6cm．KEYWO砌)s：Quadrotor；Dynamicmodel；Backstepping；Trajectorytra

6、cking1引言四旋翼飞行器是一种具有垂直起降和悬停功能的蝶形飞行器，具有重要的军事和民用价值⋯。其机械结构简单，由2对共轴成90。排列的旋翼组成，具有四个动力源的输入，推重比大；它既能沿空间3坐标轴移动，同时也能绕空间3坐标轴转动，具有灵活的机动性能，是一种典型的欠驱动系统。对于四旋翼飞行器的控制系统设计，国内外众多高校和科研机构进行了相关方面的研究，目前较为常用的控制算法有：PID控制器旧J，自抗扰控制器(ADRC)口J，线性二次型最优调节控制器(LQR)HJ，滑膜控制算法(Sliding—mode)[5-6]，BackStepping控制算法

7、"{j。文献[2]运用PID算法，在四旋基金项目：国家自然科学基金资助项目(61203331，61573263)；湖北省科技支撑项目(2015BAA018)；武汉科技大学科技创新基金研究项目(14ZRCl48)收稿13期：2015—08—05—78一翼动力学模型的基础上设计了姿态控制器，能较好的控制机体的姿态角和移动速度，但是无法有效控制机体的位置，导致跟踪精度不高。文献[3]针对动力学模型中的未建模项，在传统的PID控制器中加入不确定函数和外界干扰，增强了机体的鲁棒性，由于加入了外界未知干扰导致控制精度不够；文献[4]通过构造线性二次型问题的状态

8、方程，求解不同拉力下各个电机角度以及角速度，该方法能缩短机体的响应时间，但是需要建立电机模型，过程复杂，使得控制系统的实时