8E
传感器与微系统（Transducerand MicrosystemTechnologies）
2017年第36卷第11期
DOI:10.13873/J.10009787(2017)11-003804
四旋翼飞行器建模及其运动控制
郭勇1，2，汪大伟，邓宇2
（1.中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙410083； 2.山河智能装备股份有限公司国家级企业技术中心，湖南长沙410100）
摘要：针对四旋翼飞行器是一个欠驱动、强耦合、非线性系统，提出了运用反步法解决系统非线性问题，达到对飞行器快速、准确、稳定控制目的。研究了以反步法作为非线性设计工具对飞行器控制系统的设计问题，将飞行控制系统分为内外环2个子系统。建立四旋翼飞行器动力学及运动学方程，并对数学模型进行适当简化。利用反步法求解飞行器内环姿态控制律，实现对目标姿态角的稳定控制；利用比例-积分-微分（PID)作为飞行器外环位置控制律，实现对目标位置的稳定控制。搭建飞行器系统模型，进行Matlabv Simulink仿真实验，结果表明：在小角度飞行和悬停状态下，飞行器的位置与姿态精度得到了有效控制，验证了数学模型与控制律设计的准确性。
关键词：四旋翼飞行器；反步法；非线性；控制律；比例-积分-微分
中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2017)11-0038-04
Modelingandflight controlof quadrotor
GUO Yong",,WANG Da-wei',DENG Yu
(1.State Key Laboratory of High-Performance Complex Manufacturing,Central South University,Changsha 41o083,China:
2. National Enterprise R&D Center,Sunward Intelligent Equipment Co Ltd, Changsha 410100,China) Abstract: Considering quadrotor is an underactuated, strong coupling, nonlinear system, in order to achieve purpose of quick , accurate and stable control of quadrotor, backstepping method is proposed to solve the nonlinear problem of the quadrotor. Meanwhile, overall control of quadrotor is divided into inner loop and outer loop subsystem. The first step is establishing the dynamics and kinematics equations of the quadrotor, and simplify the mathematical model. Backstepping method is used to solve control law. In view of the couple relationships, the hackstepping method is applied to the inner loop for attitude control ; the PID method is used in the outer loop for position control. Set up system modeles, the control system is simulated on Matlab/simulink platform. The simulation results show that the controls of attitude and position gain good results under small attitude angles or hovering conditions. The validity of controllers designed and math model is proved by simulations.
Key words : quadrotor; backstepping; nonlinear; design controlling laws ; proportion integration differentiation(PID)
0引言
四旋翼飞行器具有4个控制输人和6个自由度，属于典型的欠驱动非线性系统。飞行器4个电机产生的升力作为系统输入量，空间位置与姿态信息作为输出量1.2]。根据飞行过程中机体位置与姿态的耦合关系，将整个系统划分为内环姿态控制和外环位置控制2个子系统。
目前，关于四旋翼飞行器欠驱动系统模型的控制方法有：1)Sliding-Mode滑模控制法(1.4)，具有较好的抗扰性但滑模控制会出现抖动现象且容易引起控制量的饱和问题； 2）自抗扰控制（activedisturbancerejectioncontroller，ADRC）
收稿日期：2016-09-27
法[1,5],不依赖精确的数学模型且能够对系统内外干扰进行估计补偿；3）线性二次调节（LQR）法1.3]，分析较为简便，但使用时需要基于一定假设条件，不可以直接应用于非线性系统中。本文采用反步法[5-12]，能够处理一些非线性不确定性影响的问题，而且其稳定性及误差的收敛性已得到证明。
本文分析并建立了飞行器数学模型，利用反步法设计内环姿态控制器，利用经典比例-积分-微分(PID)法[2,11]作为外环位置控制器设计方法。最后根据建立的模型和控制器在计算机上进行广仿其实验，仿其结果表明：反步法和
*基金项目：湖南省重大科技成果转化项目（2012CK1003）；国家科技支撑计划资助项目（2014BAD06B07）