四旋翼飛行器積分反演控制器設計

饒文平

摘 要：本文針對飛行器的姿態設計了反演控制器，并通過仿真實驗證明所設計的反演控制器對于控制四旋翼飛行器穩定飛行的有效性，為更好的提高飛行器的動態性能和穩定性，將角度測量偏差考慮進姿態控制器的設計中，使得所設計的姿態控制器受到的角度測量偏差較小，從而對四旋翼飛行器實現更好的控制，設計了積分反演控制器，通過仿真實驗對兩種控制器進行了驗證。

關鍵詞：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外研究熱點。飛行器的控制研究包含多個領域，如數字濾波，基于GPS的位置估計，傳感器的數據融合等等，控制算法的正確與否直接影響控制系統的品質，甚至決定整個系統的成敗，因此，各國學者致力于控制算法的研究。其中反演方法對于控制系統的處理具有其自身的優越性，尤其在控制非線性系統時，系統的某些特性如過渡品質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，雖然對其非線性數學模型進行了簡化，但其姿態控制與位置控制之間仍存在耦合，利用該方法設計的控制器具有系統化和結構化的特點，對系統的匹配性約束、非線性增長條件不是非常嚴格，能得到較好的瞬態性能，因此反演法在航空航天領域的應用甚多。針對飛行器的姿態控制，文獻[1]提出了自適應反演控制方法，文獻[2]提出基于李雅譜普諾夫函數的反演鎮定控制律設計方法，文獻[3]提出反演滑模控制方法，文獻[4]提出基于反演控制方法的自適應神經網絡控制算法，文獻[5]提出反演容錯控制方法，這些文獻中的控制方法都在反演控制方法基礎上進行了改進，本文針對飛行器的姿態角控制，在反演控制器基礎上，將角度測量偏差考慮進控制器的設計中，使得所設計的姿態控制器受到的角度測量偏差的影響較小，從而使飛行器在飛行時的動態性能和穩定性更好。

1 四旋翼飛行器的數學模型

四旋翼飛行器通過四個螺旋槳產生的推力實現對飛行器的控制。通常有兩種常用坐標系描述四旋翼飛行器：慣性坐標系和機體坐標系。兩種坐標系可以相互轉換，由機體坐標系到慣性坐標系的旋轉矩陣用R和T表示[6]。

4 積分反演控制器的設計

在實際飛行中，所設計的反演姿態控制器，由于飛行器在飛行過程中受到風的影響及角度測量偏差的影響，控制效果還有待提高。在本小節中所要設計的基于積分反演控制算法的控制器，將角度測量偏差考慮進控制器的設計中，使得所設計的姿態控制器受到的角度測量偏差的影響較小，從而實現對飛行器更好的飛行控制效果[10]。以翻滾角為例講解姿態控制器的設計。翻滾角的數學模型表達式為：

5.2 仿真結果分析

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，翻滾角的超調量小，從而系統的姿態會更加平穩。

6 結論

本文針對飛行器的姿態控制，積分反演控制器比反演控制器使飛行器更快的趨于穩定且超調量小，因此積分反演控制器使飛行器的動態性及穩定性更好。

參考文獻

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