變負(fù)載四旋翼無(wú)人機(jī)的軌跡跟蹤控制器設(shè)計(jì)

安 帥， 袁鎖中， 李華東

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016)

0 引言

作為一種旋翼式無(wú)人機(jī)，四旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降的能力且在軍用和民用領(lǐng)域被廣泛使用。傳感器技術(shù)和微控制器的進(jìn)一步發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)的控制系統(tǒng)成為可能。在先進(jìn)的控制系統(tǒng)作用下，四旋翼無(wú)人機(jī)能執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù)。

許多學(xué)者已經(jīng)研究了很多關(guān)于四旋翼無(wú)人機(jī)的先進(jìn)控制方法或策略。文獻(xiàn)[1-3]深入地研究了四旋翼無(wú)人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，但沒(méi)有涉及路徑跟蹤;文獻(xiàn)[4]把四旋翼無(wú)人機(jī)模型劃分為全驅(qū)動(dòng)與欠驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，然后采用全局快速動(dòng)態(tài)末端滑模控制技術(shù)分別為兩個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器，雖然能確保所有的系統(tǒng)狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)都能在有限時(shí)間內(nèi)收斂到零，但控制器形式十分復(fù)雜;文獻(xiàn)[5]研究了在四旋翼無(wú)人機(jī)變負(fù)載情況下的軌跡跟蹤控制，采用一種分層的非線性控制策略，設(shè)計(jì)基于自適應(yīng)魯棒反步法的內(nèi)環(huán)控制器和基于全局滑模的外環(huán)控制器，雖然在外界擾動(dòng)下能實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤，但沒(méi)有考慮負(fù)載減小的情況。

本文以四旋翼無(wú)人機(jī)倉(cāng)庫(kù)吊運(yùn)為背景，對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的軌跡跟蹤控制問(wèn)題進(jìn)行研究。考慮到在短距離運(yùn)輸中裝貨/卸貨導(dǎo)致負(fù)載突變以及外界擾動(dòng)等對(duì)飛行性能的影響，采用內(nèi)外環(huán)控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合魯棒控制和自適應(yīng)控制以減小參數(shù)變化和外界干擾所造成的影響。由于四旋翼無(wú)人機(jī)的負(fù)載是變化的，為了軌跡跟蹤性能，運(yùn)用一種自適應(yīng)滑模控制策略設(shè)計(jì)外環(huán)控制器，采用自抗擾技術(shù)[6-8]設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)控制器。……