四旋翼飛行器積分反演控制器設(shè)計(jì)

饒文平

摘 要：本文針對(duì)飛行器的姿態(tài)設(shè)計(jì)了反演控制器，并通過仿真實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的反演控制器對(duì)于控制四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行的有效性，為更好的提高飛行器的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性，將角度測(cè)量偏差考慮進(jìn)姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)中，使得所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器受到的角度測(cè)量偏差較小，從而對(duì)四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)更好的控制，設(shè)計(jì)了積分反演控制器，通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種控制器進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；反演控制器；積分反演控制器

近年來，四旋翼飛行器由于它的廣泛使用逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。飛行器的控制研究包含多個(gè)領(lǐng)域，如數(shù)字濾波，基于GPS的位置估計(jì)，傳感器的數(shù)據(jù)融合等等，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗，因此，各國學(xué)者致力于控制算法的研究。其中反演方法對(duì)于控制系統(tǒng)的處理具有其自身的優(yōu)越性，尤其在控制非線性系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的某些特性如過渡品質(zhì)等可以得到有效的改善。四旋翼飛行器是典型的非線性控制系統(tǒng)，雖然對(duì)其非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但其姿態(tài)控制與位置控制之間仍存在耦合，利用該方法設(shè)計(jì)的控制器具有系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的匹配性約束、非線性增長條件不是非常嚴(yán)格，能得到較好的瞬態(tài)性能，因此反演法在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用甚多。針對(duì)飛行器的姿態(tài)控制，文獻(xiàn)[1]提出了自適應(yīng)反演控制方法，文獻(xiàn)[2]提出基于李雅譜普諾夫函數(shù)的反演鎮(zhèn)定控制律設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[3]提出反演滑模控制方法，文獻(xiàn)[4]提出基于反演控制方法的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，文獻(xiàn)[5]提出反演容錯(cuò)控制方法，這些文獻(xiàn)中的控制方法都在反演控制方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，本文針對(duì)飛行器的姿態(tài)角控制，在反演控制器基礎(chǔ)上，將角度測(cè)量偏差考慮進(jìn)控制器的設(shè)計(jì)中，使得所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器受到的角度測(cè)量偏差的影響較小，從而使飛行器在飛行時(shí)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性更好。

1 四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型

四旋翼飛行器通過四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制。通常有兩種常用坐標(biāo)系描述四旋翼飛行器：慣性坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。兩種坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換，由機(jī)體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣用R和T表示[6]。

4 積分反演控制器的設(shè)計(jì)

在實(shí)際飛行中，所設(shè)計(jì)的反演姿態(tài)控制器，由于飛行器在飛行過程中受到風(fēng)的影響及角度測(cè)量偏差的影響，控制效果還有待提高。在本小節(jié)中所要設(shè)計(jì)的基于積分反演控制算法的控制器，將角度測(cè)量偏差考慮進(jìn)控制器的設(shè)計(jì)中，使得所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器受到的角度測(cè)量偏差的影響較小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器更好的飛行控制效果[10]。以翻滾角為例講解姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)。翻滾角的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

5.2 仿真結(jié)果分析

由圖1，圖2明顯可以看出，基于積分反演控制算法的控制器控制下俯仰角，翻滾角比基于反演控制算法的控制器控制下俯仰角，翻滾角的超調(diào)量小，從而系統(tǒng)的姿態(tài)會(huì)更加平穩(wěn)。

6 結(jié)論

本文針對(duì)飛行器的姿態(tài)控制，積分反演控制器比反演控制器使飛行器更快的趨于穩(wěn)定且超調(diào)量小，因此積分反演控制器使飛行器的動(dòng)態(tài)性及穩(wěn)定性更好。

參考文獻(xiàn)

[1]馬正華， 張倩倩， 陳嵐萍. 四旋翼飛行器自適應(yīng)反演姿態(tài)控制[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2015（3）：454-459.

[2]Ma R C， Zhao J. Back stepping design for global stabilization of switched nonlinear systems in lower triangular form under arbitrary switching [J].Automatica，2010，46（11）：1819-1823.

[3]宋超， 趙國榮， 蓋俊峰. 基于非線性干擾觀測(cè)器的高超聲速飛行器反演滑模控制[J]. Systems Engineering＼s&＼electronics， 2012， 34（6）：1231-1234.

[4]Zhang T， Ge SS， Hang CC. Adaptive neural network control for strict-feedback nonlinear systems using back stepping design [J]. Automatic， 2000， 36（12）：1835-1846.

[5]于進(jìn)勇， 陳潔， 周紹磊，等. 一類高超聲速飛行器自適應(yīng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)[J]. 中國科學(xué)：信息科學(xué)， 2012（11）：1391-1402.

[6]杜運(yùn)磊. 無人飛行器航跡規(guī)劃研究[D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)， 2009.

[7]李航. 小型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)研究[D]. 大連： 大連理工大學(xué)電路與系統(tǒng)， 2010.

[8]楊興明， 湯星. 一類欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自適應(yīng)神經(jīng)滑模控制[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2015（7）：901-905.

[9]凌金福. 四旋翼飛行器飛行控制算法的研究[D]. 南昌大學(xué)， 2013.

[10]黃依新. 四旋翼飛行器姿態(tài)控制方法研究[D]. 西安：西南交通大學(xué)， 2014.