Integral Backstepping法在四旋翼飛行器抗干擾研究中的應用

程素平， 劉祚時， 胡智元

(江西理工大學,a.電氣學院; b.機電工程學院，江西 贛州 341000)

0 引言

由于無人機可用于救援行動、交通監(jiān)控和森林管理等，在過去幾年引起了相關研究人員的極大關注，無論是民用還是軍用無人機都成為了航空航天領域發(fā)展最快的項目。其中，垂直起降無人機由于卓越的運動敏捷性、相對較小的尺寸以及在混亂環(huán)境中懸停和操作的能力，一直是研究的主要對象。飛行控制系統(tǒng)的設計是研究中的基本問題，對于4個電機6個自由度欠驅動的四旋翼飛行器來說，目前國內外使用最廣泛的方法有PID控制、動態(tài)反饋線性化控制、線性二次型最優(yōu)控制和模糊預測控制[1]。文獻[2]采用雙閉環(huán)PID控制算法，在高度控制和姿態(tài)控制中分別增加加速度環(huán)和內環(huán)角速度環(huán)，增強了飛控系統(tǒng)的魯棒性；文獻[3]采用傳統(tǒng)的Backstepping法,簡化了控制器結構,且參數(shù)更容易調整,但軌跡跟蹤精度下降了2%。本文在傳統(tǒng)Backstepping法的基礎上，增加了一個彌補穩(wěn)態(tài)誤差的積分項，利用基于積分型反步法(Integral Backstepping)的控制器來控制飛行器的軌跡以及提高其抗干擾能力。

1 四旋翼飛行器的建模

為了便于對飛行器建立數(shù)學模型，可以先做如下理想化的假設：把地球表面視為平面，且飛行器是剛體；飛行器的質量和轉動慣量不變；飛行器的中心和重心一致；飛行器只受螺旋槳的升力和重力的影響；忽略風的阻力。

大地坐標系和機體坐標系如圖1所示。

圖1 大地坐標系和機體坐標系

機體坐標系oxyz首先要繞z軸轉過偏航角ψ，然后繞y軸轉過俯仰角θ，再繞x軸轉過滾轉角φ，最后與慣性坐標系OXYZ重合。……