四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究

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1、四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究摘要：【目的】为丫检验自抗扰控制方法是否可以应用在四旋翼飞行器飞行控制系统。【方法】介绍了自抗扰控制器的原理以及基本组成。针对四旋翼飞行器低速飞行或悬停状态，提出了一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法并在仿真平台上进行稳定控制、高度控制实验，以及与PID控制系统进行对比分析实验。【结果】仿真结果表明：基于自抗扰的四旋翼飞行器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，【结论】本文所设计自抗扰控制器可应用在四旋翼飞行控制系统。本文采集自网络，本站发布的论文均是优质论文，供学习和研宄使

2、用，文中立场与本网站无关，版权和著作权归原作者所有，如有不愿意被转载的情况，请通知我们删除己转载的信息，如果需耍分享，请保留本段说明。关键词：四旋翼飞行器；自抗扰控制；扩张状态观测器；PID控制中图分类号：TP29文献标识码：AAbstract：【目的】TotestwhethertheADRCcanbeappliedinquadrotorflightcontrolsystem。【方法和过程】ThispaperintroducestheprincipleofADRCandbasiccomponents.Inviewoftheq

3、uadrotorflyingatlowspeedorhoverstate,thewriterputsforwardamethodofcontrolsystembasedonADRCandonthesimulationplatformforstabilitycontrolexperiments,heightcontrolexperiments,andanalysisoftheexperimentcomparedwiththePIDcontrolsystem.【？Y果】Thesimulationresultsshowthat:t

4、hecontrolsystembasedonADRChasgooddynamicquality,steadyprecisionandstrongrobustness.【结论】Theadredesignedinthispapercanbeusedinquadrotorflightcontrolsystem.Keywords：quadrotor；ADRC；ESO;PID1引言四旋翼飞行器是一种比较热门的新型旋翼无人机，由于其具有机械结构简单、可垂直起降、成本较低等特点，因此被大量应用于侦查，巡线，喷洒农药等领域。飞行控制系统设计

5、是整个四旋翼飞行器控制系统的核心，常用的方法有PID［1］，反步法［2］、自适应法、滑模法、LQ［3］等。传统的PID控制器采用控制H标与实际输出之间的误差产生控制策略，但其调整时间较长，抗干扰能力较弱等缺点不能很好的满足四旋翼飞控系统动态指标的实现。而后面这些基于现代控制理论的方法一般需要精确的数学模型且算法复杂，不利于实际控制应用。我国学者韩京清［4］提出的自抗扰控制方法是一种新型的控制技术，具存抗干扰能力强、响应速度快及算法简单的特点，在大量理论研究和工程实际中均得到应用。它通过状态观测器实时估计系统在工作时受到的外界

6、干扰及系统本身的内扰，并对其进行补偿，从而得到优良的控制品质。本文设计了一种自抗扰控制器，并进行了仿真实验，检验了该自抗扰控制器的控制性能。2四旋翼飞行器动力学模型四旋翼飞行器如图1所示，具有四个对称分布的独立螺旋奖，由四个独立的电机驱动绕三个机体轴和沿三轴线进行六自由度［5］［6］运动。根据牛顿-欧拉法，对四旋翼飞行器进行动力学建模。四旋翼飞行器坐标系如图2所示。考虑到室内或室外无风条件下，四旋翼无人飞行器慢速飞行或悬停，对飞行器作以下假设：四旋翼飞行器为均匀对称的刚体，忽略旋翼中心至飞行器几何中心的垂直距离，忽略其它外界

7、干扰。基于上述假设条件的四旋翼飞行器动力学模型为：其中®、9、巾分别为俯仰角、滚转角、偏航角，IX、IY、IZ分别为飞行器绕三个机体坐标轴的转动惯量，Jr为旋翼绕电机轴的转动惯量，以为第i个旋翼的转速，Ul=b(Q12+Q22+Q32+Q42),U2=b(Q42-Q22)>U3=b(Q32-Q12)>U4=d(Q12+Q32-Q22-Q42),Qr=Q2+Q4-Ql-Q3,b为推力系数，d为阻力系数。3自抗扰控制器设计3.1自抗扰控制器原理自抗扰控制器的基本组成包含扩张状态观测器和扰动估计的补偿两部分，其中实时估计扰动及补偿

8、的功能是自抗扰控制器最本质的功能。因此只要具有这个功能，该控制器即可称为自抗扰控制器［7］。如图3所示为一个典型的二阶自抗扰控制器。3.2控制器设计方案由式（1）可以看出四旋翼飞行器系统三个姿态通道存在耦合关系。但在姿态角速率变化较小时，相互间的耦合影响可以忽略，因此能够按单通道控制系统分