基于反步法的四旋翼無人飛行器混合增穩(wěn)控制　

　　通過控制輸入U₁，U₂，U₃和U₄，能夠?qū)崿F(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行。

3 實驗研究

　　3.1 仿真實驗

　　在Matlab/simulink中實現(xiàn)了所提出的控制算法，通過抗干擾測試驗證本文提出混合增穩(wěn)控制器的性能。四旋翼飛行器的主要參數(shù)如表2所示。

　　為了增強飛行器對在參數(shù)不確定性和外界干擾條件下的響應，進行了反步控制器、模糊自適應PID控制器、模糊自適應PID混合增穩(wěn)控制器的仿真測試。實驗條件為在10s時，對每個軸上施加一個擾動，并在13s時移除干擾，姿態(tài)控制和高度控制的實驗結(jié)果分別如圖3和圖4所示。其中，實線為本文提出增穩(wěn)控制算法，點劃線為反步控制算法，虛線為模糊自適應PID控制算法。

　　由圖3和圖4可知，本文所提出的混合增穩(wěn)控制器的調(diào)節(jié)時間優(yōu)于反步控制器和模糊自適應PID控制器，超調(diào)量最小，穩(wěn)態(tài)階段的穩(wěn)態(tài)誤差類似于反步控制器和模糊自適應PID控制器。在干擾發(fā)生期間，所設計的增穩(wěn)控制器不僅能完成姿態(tài)和高度的控制，具有較好的抗干擾能力，而且比反步控制器和模糊自適應PID控制器具有更好的跟蹤響應能力。

　　3.2 飛行實驗

　　通過實際飛行過程中的抗干擾實驗，進一步驗證了混合控制器的性能。在t=12s時對四旋翼飛行器的姿態(tài)角進行隨機干擾，實驗結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角的角響應通常是相似的，均在短時間內(nèi)收斂到給定值的允許范圍內(nèi)。;在t=7s時對高度控制進行隨機干擾，如圖6所示。可以看出，高度方向上也有很好的響應，高度值在短時間內(nèi)達到期望值。在擾動條件下，所提出的增穩(wěn)控制器能夠迅速穩(wěn)定四旋翼飛行器，具有較強的魯棒性。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，四旋翼飛行器的姿態(tài)角在±3°的控制范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

　　為提高四旋翼機在參數(shù)變化和外部干擾條件下的飛行穩(wěn)定性，提出并設計了基于模糊自適應PID控制器和反步控制器的混合穩(wěn)定增強控制方法，實現(xiàn)了對四旋翼飛行器的精確控制。非線性仿真試驗結(jié)果表明，所提出的控制器可以有效抑制擾動的影響，提高控制精度。通過對自由度四旋翼飛行器的飛行試驗，證明了該控制器的穩(wěn)定性和有效性。

　　參考文獻:

　　[1]郭學強.基于多模型自適應控制的四旋翼飛行器的姿態(tài)控制研究[D].中國地質(zhì)大學(北京), 2016.

　　[2]吳琛, 蘇劍波.四旋翼飛行器的軌跡跟蹤抗干擾控制[J]. 控制理論與應用, 2016, 33(11):1422-1430.

　　[3]Carrillo L R G, Colunga G R F, Sanahuja G, et al. Quad Rotorcraft Switching Control: An Application for the Task of Path Following[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2012, 22(4):1255-1267.

　　[4]楊立本,章衛(wèi)國,黃得剛.基于ADRC姿態(tài)解耦的四旋翼飛行器魯棒軌跡跟蹤[J].北京航空航天大學學報:自然版, 2015, 41(6):1026-1033.

　　[5]Reyes-Valeria E, Enriquez-Caldera R, Camacho-Lara S, et al. LQR control for a quadrotor using unit quaternions: Modeling and simulation[C]// International Conference on Electronics, Communications and Computing. IEEE, 2013:172-178.

　　[6]Khatoon S, Shahid M, Ibraheem, et al. Dynamic modeling and stabilization of quadrotor using PID controller[C]// International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics. IEEE, 2014:746-750.

　　[7]王璐,李光春,王兆龍,等.欠驅(qū)動四旋翼無人飛行器的滑?？刂芠J].哈爾濱工程大學學報, 2012, 33(10):1248-1253.

　　[8]Lee D B, Nataraj C, Burg T C, et al. Adaptive tracking control of an underactuated aerial vehicle[C]// American Control Conference. IEEE, 2011:2326-2331.

　　[9]Li, Tong, Zhang, et al. Passive and active nonlinear fault-tolerant control of a quadrotor unmanned aerial vehicle based on the sliding mode control technique[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part I Journal of Systems & Control Engineering, 2013, 227(1):12-23.

　　[10]Patel A R, Patel M A, Vyas D R. Modeling and analysis of quadrotor using sliding mode control[C]// System Theory. IEEE, 2012:111-114.

　　[11]Colorado J, Barrientos A, Martinez A, et al. Mini-quadrotor attitude control based on Hybrid Backstepping & Frenet-Serret theory[C]// IEEE International Conference on Robotics and Automation. IEEE, 2010:1617-1622.

　　[12]黃牧.基于反步法的微型四旋翼無人飛行器非線性自適應控制研究[D].天津大學, 2009.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第9期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。