四旋翼飛行器的自抗擾控制方法研究

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1、四旋翼飛行器的自抗擾控制方法研究摘要：【目的】為丫檢驗(yàn)自抗擾控制方法是否可以應(yīng)用在四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)。【方法】介紹了自抗擾控制器的原理以及基本組成。針對(duì)四旋翼飛行器低速飛行或懸停狀態(tài)，提出了一種基于自抗擾控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法并在仿真平臺(tái)上進(jìn)行穩(wěn)定控制、高度控制實(shí)驗(yàn)，以及與PID控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)?！窘Y(jié)果】仿真結(jié)果表明：基于自抗擾的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)、穩(wěn)態(tài)精度以及較強(qiáng)的魯棒性，【結(jié)論】本文所設(shè)計(jì)自抗擾控制器可應(yīng)用在四旋翼飛行控制系統(tǒng)。本文采集自網(wǎng)絡(luò)，本站發(fā)布的論文均是優(yōu)質(zhì)論文，供學(xué)習(xí)和研宄使

2、用，文中立場(chǎng)與本網(wǎng)站無(wú)關(guān)，版權(quán)和著作權(quán)歸原作者所有，如有不愿意被轉(zhuǎn)載的情況，請(qǐng)通知我們刪除己轉(zhuǎn)載的信息，如果需耍分享，請(qǐng)保留本段說(shuō)明。關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；自抗擾控制；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器；PID控制中圖分類(lèi)號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AAbstract：【目的】TotestwhethertheADRCcanbeappliedinquadrotorflightcontrolsystem。【方法和過(guò)程】ThispaperintroducestheprincipleofADRCandbasiccomponents.Inviewoftheq

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

4、hecontrolsystembasedonADRChasgooddynamicquality,steadyprecisionandstrongrobustness.【結(jié)論】Theadredesignedinthispapercanbeusedinquadrotorflightcontrolsystem.Keywords：quadrotor；ADRC；ESO;PID1引言四旋翼飛行器是一種比較熱門(mén)的新型旋翼無(wú)人機(jī)，由于其具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可垂直起降、成本較低等特點(diǎn)，因此被大量應(yīng)用于偵查，巡線，噴灑農(nóng)藥等領(lǐng)域。飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5、是整個(gè)四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的核心，常用的方法有PID［1］，反步法［2］、自適應(yīng)法、滑模法、LQ［3］等。傳統(tǒng)的PID控制器采用控制H標(biāo)與實(shí)際輸出之間的誤差產(chǎn)生控制策略，但其調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，抗干擾能力較弱等缺點(diǎn)不能很好的滿(mǎn)足四旋翼飛控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而后面這些基于現(xiàn)代控制理論的方法一般需要精確的數(shù)學(xué)模型且算法復(fù)雜，不利于實(shí)際控制應(yīng)用。我國(guó)學(xué)者韓京清［4］提出的自抗擾控制方法是一種新型的控制技術(shù)，具存抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快及算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在大量理論研究和工程實(shí)際中均得到應(yīng)用。它通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)在工作時(shí)受到的外界

6、干擾及系統(tǒng)本身的內(nèi)擾，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到優(yōu)良的控制品質(zhì)。本文設(shè)計(jì)了一種自抗擾控制器，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了該自抗擾控制器的控制性能。2四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型四旋翼飛行器如圖1所示，具有四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的獨(dú)立螺旋獎(jiǎng)，由四個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞三個(gè)機(jī)體軸和沿三軸線進(jìn)行六自由度［5］［6］運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓-歐拉法，對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。四旋翼飛行器坐標(biāo)系如圖2所示。考慮到室內(nèi)或室外無(wú)風(fēng)條件下，四旋翼無(wú)人飛行器慢速飛行或懸停，對(duì)飛行器作以下假設(shè)：四旋翼飛行器為均勻?qū)ΨQ(chēng)的剛體，忽略旋翼中心至飛行器幾何中心的垂直距離，忽略其它外界

7、干擾。基于上述假設(shè)條件的四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型為：其中?、9、巾分別為俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角，IX、IY、IZ分別為飛行器繞三個(gè)機(jī)體坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jr為旋翼繞電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以為第i個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)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為推力系數(shù)，d為阻力系數(shù)。3自抗擾控制器設(shè)計(jì)3.1自抗擾控制器原理自抗擾控制器的基本組成包含擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和擾動(dòng)估計(jì)的補(bǔ)償兩部分，其中實(shí)時(shí)估計(jì)擾動(dòng)及補(bǔ)償

8、的功能是自抗擾控制器最本質(zhì)的功能。因此只要具有這個(gè)功能，該控制器即可稱(chēng)為自抗擾控制器［7］。如圖3所示為一個(gè)典型的二階自抗擾控制器。3.2控制器設(shè)計(jì)方案由式（1）可以看出四旋翼飛行器系統(tǒng)三個(gè)姿態(tài)通道存在耦合關(guān)系。但在姿態(tài)角速率變化較小時(shí)，相互間的耦合影響可以忽略，因此能夠按單通道控制系統(tǒng)分