四旋翼無人機軌跡跟蹤與控制系統仿真設計

張明家 馮秀 南京科技職業學院

四旋翼無人機是一種六自由度無人飛行器，能夠完成定點懸停、垂直起降、低速飛行等特殊功能，相較于固定翼無人機和直升無人機，具有操控簡單、靈活度高、維護方便等優點。四旋翼無人機以其優越的性能，廣泛應用于偵查監控、電力巡檢、航拍攝影等軍用和民用領域。

隨著技術的發展，四旋翼無人機已經要求具備半自主飛行和自主飛行能力，需要根據任務內容自主進行軌跡規劃、按照參考軌跡進行飛行。本文基于串級PID 控制器，實現無人機的位置控制與姿態控制；采用帶側偏距與姿態角偏差反饋的橫側向軌跡跟蹤方法，解決了四旋翼無人機在軌跡跟蹤過程中偏離航線的問題；并在Simulink 環境下對四旋翼模型、控制系統進行了系統仿真實驗。

1 四旋翼無人機控制器設計

通過機理建模法，對四旋翼無人機各個組成部分進行受力分析和理論計算，使用牛頓歐拉方程，建立動力學模型和運動學模型。

四旋翼無人機的底層飛行控制可以分為位置控制與姿態控制，位置控制根據期望的位置解算期望姿態角以及期望總拉力，姿態控制則根據期望姿態角解算期望力矩，解算得到的力和力矩輸入到系統模型中的控制分配模塊以及電機控制模塊，解算出每個電機的期望轉速和期望油門指令。本文采用串級PID 控制算法，外環角度控制系統的輸入信息為無人機的姿態角度，內環角速度控制系統的輸入信息為姿態角速度、姿態角速度的積分和姿態角速度的微分。

當無人機偏離軌跡航線時，控制器通過計算側偏距，作為反饋值調整滾轉角朝軌跡航線逼近，實現精準的軌跡跟蹤。

圖1 帶側偏距反饋的橫向軌跡跟蹤

2 仿真驗證與分析

在Matlab/Simulink 中搭建系統仿真模型，包括軌跡跟蹤控制器、位置控制器、姿態控制器、四旋翼無人機系統模型。為了驗證軌跡跟蹤算法，選取一種對角線航跡路徑點，比較傳統串級PID 算法與帶側偏距反饋的串級PID 算法的控制效果。

表1 航跡點數據

跟蹤航跡路徑點過程中，四旋翼無人機需要同時改變俯仰和橫滾通道的角度值，兩個通道變化率不同導致無法精準的跟蹤軌跡，存在偏移誤差。

圖2 側偏距誤差對比圖

3 結論

本文針對四旋翼無人機軌跡跟蹤及控制問題，采用串級PID 算法實現了無人機的位置控制器和姿態控制器設計，并在水平通道上采用側偏距反饋的算法解決了軌跡跟蹤航跡偏移的問題，在Simulink環境中對系統進行了完整的仿真實驗，仿真結果表明本文所設計的方法是有效可行的。該仿真系統可以應用于無人機實驗教學過程中，便于學生直觀準確的觀測無人機的飛行狀態以及進行控制器調參實驗等。該系統當前針對不同軌跡點，側偏距反饋算法的比例系數需要進行手動調整，后續將針對側偏距與姿態角偏差的大小進行動態調整，提高系統的自適應性能。