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四旋翼两种姿态控制方法及性能比较

万慧  齐晓慧  董海瑞  
【摘要】:四旋翼飞行器具有能够垂直起降、定点悬停等诸多优势,成为近年来航空领域的研究热点之一。目前,对于四旋翼飞行器的研究主要集中在对四旋翼飞行器的建模、控制以及航迹规划等方面。其中,对四旋翼飞行器控制系统的设计是四旋翼飞行器从理论研究到工程应用的关键,而姿态控制则是整个四旋翼控制系统的基础。但是,四旋翼飞行器多变量、非线性、强耦合的特点使得对其姿态回路进行控制器设计比较困难。针对四旋翼无人机姿态控制品质要求较高这一问题,引入了自抗扰控制(ADRC)和线性自抗扰控制(LADRC)理论,分别探讨了基于ADRC和LADRC的四旋翼姿态控制方法。首先以二阶线性定常系统为例,分别介绍了自抗扰控制器和线性自抗扰控制器的结构,并对两种控制方法的控制性能从理论上进行了比较,指出自抗扰控制器需整定的参数多,且含有非线性结构,设计相对复杂;而由自抗扰控制器的非线性形式简化为线性形式得到的线性自抗扰控制器,结构的复杂性大大降低,待整定参数较少,且有较成熟参数整定方法,更便于在工程实践中应用,但是若线性自抗扰控制器中的观测器带宽较高,则观测器效率将会降低。然后建立了四旋翼飞行器的姿态数学模型,在此基础上分别设计了基于ADRC和LADRC的四旋翼姿态解耦控制器,以实验室现有四旋翼平台为研究对象,在Matlab/Simulink下建立了仿真模型。仿真结果表明:(1)两种控制器均具有较强的鲁棒性和抗干扰性;(2)在现有仿真条件下,基于LADRC的四旋翼姿态控制器调节时间更短,对干扰的跟踪和补偿能力更强;(3)LADRC控制器中存在一定条件下线性扩张状态观测器增益较高,控制效率低的问题。

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