基于线性自抗扰控制技术的四旋翼无人机控制系统

　　摘要:针对四旋翼无人机飞行控制系统存在非线性、强耦合、欠驱动和对扰动敏感等问题，设计了串级控制系统。在该控制系统中，外环位置环采用线性自抗扰控制器(ADRC)，内环姿态环采用一种改进的线性自抗扰控制器。在位置和姿态控制中，将所设计的控制器与线性自抗扰控制器和PID控制器做仿真分析对比。仿真结果表明:在一定外部干扰下，所设计的控制器具有良好的解耦效果，能对总扰动进行很好的估计并补偿，提高了系统的抗干扰能力和鲁棒性。

　　关键词:四旋翼;串级控制系统;线性自抗扰控制

　　0引言

　　四旋翼无人机是一种能够垂直起降、自由悬停的多旋翼直升机，具有体积小、结构简单、易于维护、机动性能好等优点，在军事、民用和科研等领域有着广泛的应用前景，近年来成为国内外研究的热点之一[1]。四旋翼无人机是一个四输入六输出的欠驱动、强耦合的非线性系统[2，3]。

　　另外由于其动力学模型的复杂性、模型参数的不确定性和建模不精确性等问题，以及四旋翼无人机实际飞行环境的复杂性，这对设计鲁棒性强和抗干扰能力强的控制器提出了更高的要求。对此，国内外学者针对四旋翼无人机的飞行控制问题进行了相关研究。文献[4]采用模糊比例—积分—微分(proportional-integral-differential，PID)控制方法进行控制系统设计，但控制系统的响应速度较慢，鲁棒性能和抗干扰能力相对较差。文献[5]提出一种将非线性鲁棒控制用于四旋翼无人机路径跟踪的方法，但是该控制器的模型复杂，使用起来计算量较大。

　　文献[6]采用反步法对整个四旋翼系统进行控制，该方法适合于非线性系统，但是其鲁棒性较差，一般通过其他的方法对此进行补偿。文献[7]设计出一种比例—微分(proportional-differential，PD)控制和滑膜控制相结合的控制器，用于四旋翼无人机姿态控制，但由于滑模控制算法中含有不连续的切换项，容易造成控制输入的高频抖振，从而使系统的稳定性受到影响。

　　自抗扰控制[8](activedisturbancesrejectioncontrol，ADRC)技术是20世纪80年代由中国科学院韩京清教授在PID控制技术的基础上改进而来的，该算法继承了经典PID控制利用误差消除误差的思想，同时又结合了现代控制理论状态观测的优点，克服了PID控制的一些缺点。ADRC的最核心部分是扩张状态观测器(ESO)，可以将系统的内部扰动和外部扰动看成为总的未知扰动，利用ESO进行实时估计并在控制器中给予补偿。

　　因此，ADRC适用于四旋翼无人机难以建立精确模型、欠驱动、强耦合的非线性系统。这种自抗扰控制算法是非线性的，这就使得控制器的参数过多，在实际应用中参数难以整定。因此美国克利夫兰州立大学的高志强教授提出一种线性自抗扰控制器[9](linearADRC，LADRC)，它的参数相对于非线性自抗扰控制器大为减少，便于参数调节和算法实现。

　　本文针对四旋翼无人机非线性、强耦合、难以建立精确的数学模型和抗干扰能力差等问题，为位置环设计了LADRC，姿态环设计了改进的LADRC。并采用仿真实验的方法将本文提出的控制器与LADRC和PID控制器作对比，对比三种控制器的控制效果。

　　1四旋翼无人机动力学模型建立

　　四旋翼的布局形式一般分为“X”型和“十”型两种，本文选取“X”型布局形式建立四旋翼的数学模型。

　　2改进的LADRC设计

　　2.1控制系统总体设计

　　四旋翼无人机控制系统通常分为姿态子系统和位置子系统，姿态子系统也叫做双闭环控制回路的内环，位置子系统则为外环。姿态控制是四旋翼飞行控制的基础[11]，系统对内环控制的快速性和准确性要求较高，而传统的线性自抗扰可以满足一般系统的控制，所以外环采用LADRC，内环采用改进的LADRC。

　　3仿真分析

　　为了验证所提出的改进的线性自抗扰算法的有效性和抗干扰能力，采用MATLAB软件进行数值仿真实验，将所提出的改进的LADRCC(improvedLADRC，ILADRC)与LADRC以及PID控制进行对比。

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　　4结论

　　针对四旋翼无人机在使用传统PID控制时抗扰动性能差的问题，本文提出了一种改进的二阶线性自抗扰算法，其中位置环采用LADRC，姿态环采用ILADRC。所设计的控制器能够很好地实现姿态和位置的解耦控制，并能观测出系统的内部扰动和外部扰动进行实时反馈补偿控制，提高了系统的抗扰动能力，整个系统也具有更好的鲁棒性。

　　在姿态控制中，仿真实验证明了本文提出的ILADRC算法和LADRC算法在抗扰动性能和系统响应快速性方面要优于经典的PID控制，且ILADRC算法的系统响应速度与LADRC算法相比得到较大提高，抗扰动能力也得到一定的增强。在位置控制中，LADRC和ILADRC都能实现对无人机良好控制，但LADRC更符合实际工程的应用需求。

　　参考文献:

　　[1]聂博文，马宏绪，王剑，等.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，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，宋述锡.基于模糊自整定PID四旋翼无人机悬停控制[J].控制工程，2013，20(5):910-914.

　　作者：吴君华1，谢习华1，2，李拥祺2