摘要:針對四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)存在非線性、強耦合、欠驅(qū)動和對擾動敏感等問題，設(shè)計了串級控制系統(tǒng)。在該控制系統(tǒng)中，外環(huán)位置環(huán)采用線性自抗擾控制器(ADRC)，內(nèi)環(huán)姿態(tài)環(huán)采用一種改進的線性自抗擾控制器。在位置和姿態(tài)控制中，將所設(shè)計的控制器與線性自抗擾控制器和PID控制器做仿真分析對比。仿真結(jié)果表明:在一定外部干擾下，所設(shè)計的控制器具有良好的解耦效果，能對總擾動進行很好的估計并補償，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性。

　　關(guān)鍵詞:四旋翼;串級控制系統(tǒng);線性自抗擾控制

　　0引言

　　四旋翼無人機是一種能夠垂直起降、自由懸停的多旋翼直升機，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、機動性能好等優(yōu)點，在軍事、民用和科研等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，近年來成為國內(nèi)外研究的熱點之一[1]。四旋翼無人機是一個四輸入六輸出的欠驅(qū)動、強耦合的非線性系統(tǒng)[2，3]。

　　另外由于其動力學(xué)模型的復(fù)雜性、模型參數(shù)的不確定性和建模不精確性等問題，以及四旋翼無人機實際飛行環(huán)境的復(fù)雜性，這對設(shè)計魯棒性強和抗干擾能力強的控制器提出了更高的要求。對此，國內(nèi)外學(xué)者針對四旋翼無人機的飛行控制問題進行了相關(guān)研究。文獻[4]采用模糊比例—積分—微分(proportional-integral-differential，PID)控制方法進行控制系統(tǒng)設(shè)計，但控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢，魯棒性能和抗干擾能力相對較差。文獻[5]提出一種將非線性魯棒控制用于四旋翼無人機路徑跟蹤的方法，但是該控制器的模型復(fù)雜，使用起來計算量較大。

　　文獻[6]采用反步法對整個四旋翼系統(tǒng)進行控制，該方法適合于非線性系統(tǒng)，但是其魯棒性較差，一般通過其他的方法對此進行補償。文獻[7]設(shè)計出一種比例—微分(proportional-differential，PD)控制和滑膜控制相結(jié)合的控制器，用于四旋翼無人機姿態(tài)控制，但由于滑模控制算法中含有不連續(xù)的切換項，容易造成控制輸入的高頻抖振，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。

　　自抗擾控制[8](activedisturbancesrejectioncontrol，ADRC)技術(shù)是20世紀(jì)80年代由中國科學(xué)院韓京清教授在PID控制技術(shù)的基礎(chǔ)上改進而來的，該算法繼承了經(jīng)典PID控制利用誤差消除誤差的思想，同時又結(jié)合了現(xiàn)代控制理論狀態(tài)觀測的優(yōu)點，克服了PID控制的一些缺點。ADRC的最核心部分是擴張狀態(tài)觀測器(ESO)，可以將系統(tǒng)的內(nèi)部擾動和外部擾動看成為總的未知擾動，利用ESO進行實時估計并在控制器中給予補償。

　　因此，ADRC適用于四旋翼無人機難以建立精確模型、欠驅(qū)動、強耦合的非線性系統(tǒng)。這種自抗擾控制算法是非線性的，這就使得控制器的參數(shù)過多，在實際應(yīng)用中參數(shù)難以整定。因此美國克利夫蘭州立大學(xué)的高志強教授提出一種線性自抗擾控制器[9](linearADRC，LADRC)，它的參數(shù)相對于非線性自抗擾控制器大為減少，便于參數(shù)調(diào)節(jié)和算法實現(xiàn)。

　　本文針對四旋翼無人機非線性、強耦合、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型和抗干擾能力差等問題，為位置環(huán)設(shè)計了LADRC，姿態(tài)環(huán)設(shè)計了改進的LADRC。并采用仿真實驗的方法將本文提出的控制器與LADRC和PID控制器作對比，對比三種控制器的控制效果。

　　1四旋翼無人機動力學(xué)模型建立

　　四旋翼的布局形式一般分為“X”型和“十”型兩種，本文選取“X”型布局形式建立四旋翼的數(shù)學(xué)模型。

　　2改進的LADRC設(shè)計

　　2.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計

　　四旋翼無人機控制系統(tǒng)通常分為姿態(tài)子系統(tǒng)和位置子系統(tǒng)，姿態(tài)子系統(tǒng)也叫做雙閉環(huán)控制回路的內(nèi)環(huán)，位置子系統(tǒng)則為外環(huán)。姿態(tài)控制是四旋翼飛行控制的基礎(chǔ)[11]，系統(tǒng)對內(nèi)環(huán)控制的快速性和準(zhǔn)確性要求較高，而傳統(tǒng)的線性自抗擾可以滿足一般系統(tǒng)的控制，所以外環(huán)采用LADRC，內(nèi)環(huán)采用改進的LADRC。

　　3仿真分析

　　為了驗證所提出的改進的線性自抗擾算法的有效性和抗干擾能力，采用MATLAB軟件進行數(shù)值仿真實驗，將所提出的改進的LADRCC(improvedLADRC，ILADRC)與LADRC以及PID控制進行對比。

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　　4結(jié)論

　　針對四旋翼無人機在使用傳統(tǒng)PID控制時抗擾動性能差的問題，本文提出了一種改進的二階線性自抗擾算法，其中位置環(huán)采用LADRC，姿態(tài)環(huán)采用ILADRC。所設(shè)計的控制器能夠很好地實現(xiàn)姿態(tài)和位置的解耦控制，并能觀測出系統(tǒng)的內(nèi)部擾動和外部擾動進行實時反饋補償控制，提高了系統(tǒng)的抗擾動能力，整個系統(tǒng)也具有更好的魯棒性。

　　在姿態(tài)控制中，仿真實驗證明了本文提出的ILADRC算法和LADRC算法在抗擾動性能和系統(tǒng)響應(yīng)快速性方面要優(yōu)于經(jīng)典的PID控制，且ILADRC算法的系統(tǒng)響應(yīng)速度與LADRC算法相比得到較大提高，抗擾動能力也得到一定的增強。在位置控制中，LADRC和ILADRC都能實現(xiàn)對無人機良好控制，但LADRC更符合實際工程的應(yīng)用需求。

　　參考文獻:

　　[1]聶博文，馬宏緒，王劍，等.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007，14(6):113-117.

　　[2]MAHONYR，KUMARV，CORKEP.Multirotoraerialvehicles:Modeling，estimation，andcontrolofquadrotor[J].IEEERobotics&AutomationMagazine，2012，19(3):20-32.

　　[3]RYLLM，BULTHOFFHH，GIORDANOPR.ModelingandcontrolofaquadrotorUAVwithtiltingpropellers[C]∥IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation，IEEE，2012.

　　[4]李一波，宋述錫.基于模糊自整定PID四旋翼無人機懸停控制[J].控制工程，2013，20(5):910-914.

　　作者：吳君華1，謝習(xí)華1，2，李擁祺2