基于自抗扰理论的小型四旋翼飞行器姿态控制

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1、第５卷第３期航空工程进展Vol畅５No畅３２０１４年８月ADVANCESINAERONAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGAug．２０１４文章编号：１６７４‐８１９０（２０１４）０３‐３３８‐０５基于自抗扰理论的小型四旋翼飞行器姿态控制张广昱，袁昌盛（西北工业大学航空学院，西安７１００７２）摘要：针对四旋翼飞行器的强耦合性、非线性、易受外界干扰等控制难点，研究利用自抗扰控制器对四旋翼飞行器进行姿态控制的技术问题。通过牛顿－欧拉方程建立四旋翼飞行器动力学模型，将不确定性、耦合及参数

2、摄动等干扰作为“总和干扰”，利用扩张状态观测器进行估计并动态反馈补偿，再利用非线性反馈抑制补偿残差，进行四旋翼飞行器姿态控制仿真实验。结果表明：在存在模型参数摄动和外界扰动的情况下，扩张状态观测器很好地实时估计和补偿了四旋翼飞行器的总和干扰，基于自抗扰的四旋翼飞行器姿态控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性。关键词：四旋翼飞行器；自抗扰控制；扩张状态观测器；非线性反馈中图分类号：V２４９．１；TP２７３文献标识码：AAttitudeControlofSmallQuad‐rotorBas

3、edonActiveDisturbanceRejectionControlTheoryZhangGuangyu，YuanChangsheng（SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an７１００７２，China）Abstract：Tosolvetheattitudecontrolproblemofsmallquad‐rotoraccordingtoitscomplexcoupling，non‐linearandseriou

4、sinternal／externaldisturbancefeature，acontrolschemebasedonactivedisturbancerejectioncontroltechniqueisproposed．ThedynamicmodelisestablishedwithNewton‐Eulerequations，andtheuncertainty，couplingandparameterperturbationareconsideredastotaldisturbance．Exten

5、dedstateobserverisusedtoesti‐mateandcompensatethetotaldisturbance．Thenon‐linearstateerrorfeedbackisusedtorestrainthecompen‐sateerror，anddidsimulationexperimentofattitudecontrolforsmallquad‐rotor．Theresultofthesimulationshowsthattheextendedstateobserver

6、oftheactivedisturbancerejectioncontroltechniquecanestimate／com‐pensatedisturbancewellundercircumstanceofparameterperturbationanddisturbance．Theattitudecontrollerbasedonactivedisturbancerejectioncontroltheoryshowsgooddynamicquality，steady‐stateaccuracya

7、ndstrongrobustness．Keywords：quad‐rotor；activedisturbancerejectioncontrol；extendedstateobserver；nonlinearfeedback这些干扰具有不确定性且持续存在。设计具有高0引言抗扰性能，对内部和外部扰动具有鲁棒性的控制器，成为四旋翼飞行器飞行姿态控制的重要内容。四旋翼飞行器是近年来比较热门的新型旋翼国内外对四旋翼飞行器姿态控制问题已有一类飞行器，具有机械结构简单、容易操纵、成本低廉些研究成果，经典控制方法

8、尽管能满足基本要求，等优点。四旋翼飞行器具有强耦合、多变量、非线但在建立小扰动方程过程中忽略了各通道间耦合性等控制难点，且在空中飞行时易受到外界干扰，及内部干扰，对外部干扰敏感，因此，目前普遍采用［１］［２］现代控制方法，如滑模法、自适应法、反步［３］［４］收稿日期：２０１３‐１２‐１０；修回日期：２０１４‐０１‐２１法、LQ等。虽然多数现代控制方法的设计结通信作者：张广昱，zhang＿guangyu＠yeah．net果很好，但是这些方法在工程应用中具有很大不第３期张