基于滑模观测器的四旋翼无人机全回路解耦控制

赵振华,肖 亮,曹 东,张 朋

(1.南京航空航天大学 自动化学院,江苏 南京 211106; 2.重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆 400065; 3.东南大学 复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室,江苏 南京 210096)

无人机因其成本低、灵活性高、无人员伤亡等优点被越来越多地应用于航空侦察、灾害救援等领域[1]。四旋翼无人机以其独特的悬停、垂直起降能力,在战术侦察、精确起飞、定点监视等军事和经济领域得到了广泛的应用[2]。四旋翼无人机经常通过跟踪某一轨迹来执行特定任务,因此高精度的轨迹跟踪控制是四旋翼无人机的关键技术[3]。然而,四旋翼无人机系统动态跟踪误差的本质非线性和不同通道强耦合特性给系统控制设计带来了巨大挑战[4]。此外,随着飞行环境的日益复杂,外部干扰、模型不确定性和未建模动态干扰等多源干扰也严重限制了四旋翼无人机控制系统的跟踪精度。

为了应对四旋翼无人机轨迹跟踪控制的挑战,国内外研究人员提出了很多有效的控制方法:在线性化模型的基础上,文献[5]对比了比例-积分-微分算法和线性二次调节等传统控制方法。虽然上述方法实现了四旋翼无人机的悬停控制,但当参考轨迹为三维轨迹时,轨迹的跟踪精度会急剧下降。为了减小非线性和多源干扰的影响,文献[6-9]基于四旋翼无人机的非线性模型,结合先进的非线性控制算法,提出了多种轨迹跟踪控制策略。文献[6]采用非线性鲁棒控制方法设计四旋翼无人机的轨迹跟踪控制器,在系统存在消失不确定性的情况下,依然能够保证系统轨迹跟踪误差收敛。……