四旋翼無人機飛行控制算法綜述

王 成，楊 杰，姚 輝，席建祥

(火箭軍工程大學，西安 710025)

0 引言

四旋翼無人機通常采用手持遙控器的方法控制飛行動作，或者通過地面站發送指令控制無人機飛行航跡。在控制指令下，四旋翼無人機可進行垂直起降，并具有多種飛行方式，如懸停、橫向飛行以及前后飛行等。四旋翼無人機具有很強的實用性，可以用很小的代價完成各項任務，如近地軍事偵察、影視拍攝、農情監測甚至快遞業務等[1-3]。雖然目前四旋翼無人機在市場上應用已經相當普遍，但是在技術方面實現其穩定飛行并非易事。國內外學者對四旋翼的飛行控制算法進行了大量研究，提出了諸多控制策略，然而在實際算法設計中，仍存在如下兩個方面的難題[4-5]。

1) 難以建立精確的數學模型。就結構而言，4個電機存在安裝誤差，并不能做到完全垂直于4軸所在的機身平面，且高速旋轉時存在振動；此外，4軸也無法做到完全對稱，軸臂長度、質量分布并不完全一致[6]。就飛行時空間受力情況而言，四旋翼無人機不僅受到重力、旋翼高速旋轉時產生的升力，還要受到氣流變化等外部干擾因素的影響[7-8]。

2) 四旋翼無人機是一個典型的多輸入輸出、非線性、強耦合的欠驅動系統[9]。四旋翼無人機在空間飛行時有6個自由度(沿空間直角坐標系3個方向的位移運動和繞坐標系3軸的旋轉運動)，但僅有4個可控變量輸入(4個電機的轉速)。可控變量對無人機的位姿控制存在耦合，且易受到干擾影響，這也使四旋翼的控制變得更為困難?！?br>