基于干扰观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪鲁棒控制.pdf

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1、第33卷第4期飞行力学Vol．33No．42015年8月FLIGHTDYNAMICSAug．2015基于干扰观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪鲁棒控制杨柳，刘金琨(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191)摘要:针对四旋翼无人机提出了一种基于干扰观测器的轨迹跟踪鲁棒控制算法。在外界气流干扰和内部模型参数不确定性的影响下，保证空间位置和偏航角可以快速平滑地跟踪参考信号。对于位置子系统，设计了自适应更新算法，对质量不确定性和气动干扰力进行抑制。设计了一个新颖的非线性干扰观测器，对未知气动干扰力矩进行观测。通过在控制输入中加入

2、干扰力矩的观测值，保证姿态子系统能够以指数收敛速率跟踪中间指令信号。利用Lyapunov理论，证明了整个闭环系统全局渐近稳定。仿真结果表明，该控制器简单有效，对外界干扰具有较强的鲁棒性，同时对负载不确定性也具有自适应能力。关键词:四旋翼无人机;垂直起降;干扰观测器;轨迹跟踪中图分类号:V249.1文章标识码:A文章编号:1002-0853(2014)-0328-06DOI:10.13645/j.cnki.f.d.2015.04.002Disturbanceobserver-basedrobusttrajectorytrackingc

3、ontrolforaquadrotorUAVYANGLiu，LIUJin-kun(SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering，BUAA，Beijing100191，China)Abstract:ArobusttrajectorytrackingcontrollawusingdisturbanceobserverisdevelopedforquadrotorUAV．Inthepresenceofexogenousaerodynamicdisturbanceandinnermode

4、lparameteruncertainty，itguaranteedthatthepositionandyawanglecouldtrackthereferencesignalspeedilyandsmoothly．Ana-daptivealgorithmwasdesignedforthepositionsubsystemtosuppressthemassuncertaintyanddisturb-anceforce．Anovelnonlineardisturbanceobserverwasdevisedtoobservetheun

5、knowndisturbancetorque．Totracktheintermediatecommandsignalwithanexponentialconvergence，theestimationofdis-turbancetorquewasaddedtotheinput．ByvirtueofLyapunovtheory，theglobalasymptoticstabilityoftheoverallclosed-loopsystemwasproved．Simulationresultsindicatethatthecontro

6、llerissimpleandef-fective，whichhasstrongrobustnesstoexternaldisturbancesandalsohasself-adaptivecapabilitytoun-certaintyofload．Keywords:quadrotorUAV;verticaltake-offandlanding(VTOL);disturbanceobserver;trajectorytrack-ing［3］0引言独立的控制输入，是一个欠驱动系统。针对其具［4］有多输入多输出、强耦合、高度非线性等特

7、点，采旋翼类无人机(UAV)相比固定翼无人机具有用了很多线性和非线性的控制策略，如PD控制、滑垂直起降、悬停等优点，因此受到了各国学者的广泛［5-8］关注［1-2］。模控制、反演控制、H∞控制等。文献［9］中针对为了完成无人机自主飞行，跟踪特定的轨迹，需无人机质量随时间变化的情况，设计了自适应反演要通过自动飞行控制系统来代替地面站的人为操控制器，以补偿质量不确定性。但是在该研究中，并控。四旋翼无人机具有6个自由度，但是只有4个没有涉及惯性矩阵的不确定性。根据欧拉-拉格朗收稿日期:2014-09-09;修订日期:2015-03-09;

8、网络出版时间:2015-03-1011:35基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助(20121102110008)作者简介:杨柳(1989-)，男，四川南充人，硕士研究生，研究方向为无人机控制;刘金琨(1965-)，男，辽宁瓦房