面向电力巡检的四旋翼无人机非线性控制器设计

吴 健，花国祥，席万强，俞 斌

(1.浙江省送变电工程有限公司，杭州 310000；2.南京信息工程大学滨江学院自动化学院, 江苏 无锡 214000)

0 引言

如何提升高压输电线路巡检的精度和效率一直是制约电力行业发展的关键问题之一[1]。四旋翼无人机(下文简称四旋翼)因其携带方便、反应灵活、操控简单的优点，被大量装备到电力行业，以无人机替换人工执行电力巡检任务可极大地提高电力巡检与设施维护的效率，降低劳动强度。不过根据相关报道[2-3]，某些公司生产的四旋翼无人机经常出现“炸机”、“撞塔”或“失联”等故障，究其原因可能是控制器系统设计得不合理。另外，四旋翼是一个多输入多输出、强耦合、欠驱动的非线性系统，这些复杂的动力学特性也给高可靠性、高精度飞行控制系统的设计增加了难度。

对于飞行控制系统的设计通常分为线性方法与非线性方法两种。在线性方法中系统的输入输出满足线性关系，常见的策略有PID(Proportion integration differentiation)控制[4]、LQR(Linear quadratic regulator control)[5]、MPC(Model predictive control)[6]、LADRC(Linear active rejection control)[7]等，这些方法虽然能在一定程度解决四旋翼的飞行控制问题，但无法很好地应对外部扰动、模型内部参数摄动等问题，鲁棒性也不足。在实际电力巡检中，无人机常常会受到横风干扰，另外挂载的视觉检测设备也会改变系统原有的物理参数(如质量、转动惯量等)，这些因素就要求飞行控制系统得具有一定的抗干扰性和适应性。与线性方法相比，非线性方法是根据被控对象的输入输出数据构造出非线性控制律，它虽能更真实地描述被控对象的动态响应。……