基于LADRC的无人机高精度定高控制

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1、2016年11月第42卷第11期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsNovember2016V01．42No．1lhttp：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2015．0725基于LADRC的无人机高精度定高控制齐鹏远1，王勇1’8，张代兵2(1．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083；2．国防科技大学机电工程与自动化学院，

2、长沙410073)摘要：针对复杂气流扰动对无人机(UAV)航迹高度控制的影响，对存在复杂气流扰动下的定高控制策略、控制结构和控制器参数优化展开研究，实现高精度高度控制。基于线性自抗扰控制(LADRC)确定总体控制架构，设计扩张状态观测器(ESO)观测估计纵向高度通道和速度通道中存在的总扰动，在控制中引入扰动补偿，减小扰动对系统输出造成的影响。对UAV在飞行过程中存在的大气紊流扰动或离散突风等风干扰分析其功率谱密度，构造考虑风扰动对高度影响、时域响应特性和稳定裕度的综合目标函数，通过粒子群优化算法得到具有高精度、高抗干扰性能的

3、控制器参数，优化中考虑风干扰的功率谱密度分布，减小了控制器参数设计的保守性。通过与常规比例．积分一微分(PID)控制器控制效果进行对比，说明基于线性自抗扰控制器的纵向高度控制的优异性能。关键词：“天钩”回收；高精度高度控制；线性自抗扰控制(LADRC)；风干扰分析；粒子群优化算法中图分类号：V249文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)11-2472-09“天钩”回收方式是一种新型的无人机(UAV)零长回收方式，具有对回收场地要求低、回收方式简单且安全可靠等优点，非常适合小型固定翼无人机。当无人机“天钩”回收

4、时，首先下降至回收高度，跟踪期望的回收航线保持定高直线飞行，撞向“天钩”回收机构的回收索，回收索沿着具有后掠角的机翼向翼尖滑动，最终滑入安装在翼尖的回收钩，实现“天钩”回收⋯。回收飞行过程中存在的复杂气流扰动将对飞行轨迹产生影响，可能导致回收失败。因此追求高精度的纵向高度控制和横侧向侧偏距控制在此类问题中十分必要，本文仅对其中的高精度高度控制进行研究。工程中常使用比例．积分-微分(PID)控制器进行高度控制，在无扰动情况下可以实现无静差控制，但在扰动情况下，控制精度往往难以达到要求，为此国内外学者在高精度高度控制上展开了大量

5、研究。文献[2]针对无人机的高精度着陆控制采用了L1自适应控制，仿真结果表明误差满足精度要求，但如何选取最优的反馈回路低通滤波器难度较大。文献[3]采用模糊增益调度控制在紊流等扰动存在的情况下，提升了轨迹跟踪性能，但规则库的设计对经验要求较高。文献[4]构造非线性干扰观测器对建模误差和外在干扰进行观测，并在此基础上设计滑模控制器，虽可实现较高的控制精度，但存在控制抖振问题。文献[5]对俯仰角控制应用自抗扰控制器，取得了较好的控制效果，但并未给出有效的参数设计方法。韩京清M一‘73提出的自抗扰控制方法具有鲁棒性强，可控范围大，

6、算法简单，工程易实现等优点。本文基于线性自抗扰控制(LADRC)，以无人机高度通道为研究对象，对定高控制策略、控制结构和控制器参数优化设计展开研究，实现高精度高收稿日期：2015—11-05；录用日期：2016-01-22；网络出版时间：2016-03—1514：34网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160315．1434．006．html}通讯作者：Tel．：010-82317544E—mail：wy—buaa@sina．eom引用格式：齐鹏远，王勇，张代兵．基于LAD

7、RC的无入机高精度定高控制ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(JI)：2472-2480．QlPY．WANGY，ZHANGDB．PreciseheightcontrolforUAVbasedonLADRC【j]．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(jI)：2472—2480(inChinese)．第11期齐鹏远，等：基于LADRC的无人机高精度定高控制2473度控制。1线性自抗扰控制器理论自抗扰控制是针对观测系统的“干扰总和”，

8、并加以补偿的一种控制方法。其利用扩张状态观测器(ESO)观测出系统的未建模动态、非线性动态特性以及外部扰动来进行闭环系统的控制补偿。虽然传统自抗扰方法具有高精度、高反馈效率等方面的优势，但其选取的参数过多，参数整定比较繁琐，且在工程上难以进行稳定性等指标分析。为此，高志强等㈣1提出了LAD