四旋翼飞行器积分反演控制器设计

饶文平

摘 要：本文针对飞行器的姿态设计了反演控制器，并通过仿真实验证明所设计的反演控制器对于控制四旋翼飞行器稳定飞行的有效性，为更好的提高飞行器的动态性能和稳定性，将角度测量偏差考虑进姿态控制器的设计中，使得所设计的姿态控制器受到的角度测量偏差较小，从而对四旋翼飞行器实现更好的控制，设计了积分反演控制器，通过仿真实验对两种控制器进行了验证。

关键词：四旋翼飞行器；反演控制器；积分反演控制器

近年来，四旋翼飞行器由于它的广泛使用逐渐成为国内外研究热点。飞行器的控制研究包含多个领域，如数字滤波，基于GPS的位置估计，传感器的数据融合等等，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败，因此，各国学者致力于控制算法的研究。其中反演方法对于控制系统的处理具有其自身的优越性，尤其在控制非线性系统时，系统的某些特性如过渡品质等可以得到有效的改善。四旋翼飞行器是典型的非线性控制系统，虽然对其非线性数学模型进行了简化，但其姿态控制与位置控制之间仍存在耦合，利用该方法设计的控制器具有系统化和结构化的特点，对系统的匹配性约束、非线性增长条件不是非常严格，能得到较好的瞬态性能，因此反演法在航空航天领域的应用甚多。针对飞行器的姿态控制，文献[1]提出了自适应反演控制方法，文献[2]提出基于李雅谱普诺夫函数的反演镇定控制律设计方法，文献[3]提出反演滑模控制方法，文献[4]提出基于反演控制方法的自适应神经网络控制算法，文献[5]提出反演容错控制方法，这些文献中的控制方法都在反演控制方法基础上进行了改进，本文针对飞行器的姿态角控制，在反演控制器基础上，将角度测量偏差考虑进控制器的设计中，使得所设计的姿态控制器受到的角度测量偏差的影响较小，从而使飞行器在飞行时的动态性能和稳定性更好。

1 四旋翼飞行器的数学模型

四旋翼飞行器通过四个螺旋桨产生的推力实现对飞行器的控制。通常有两种常用坐标系描述四旋翼飞行器：惯性坐标系和机体坐标系。两种坐标系可以相互转换，由机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵用R和T表示[6]。

4 積分反演控制器的设计

在实际飞行中，所设计的反演姿态控制器，由于飞行器在飞行过程中受到风的影响及角度测量偏差的影响，控制效果还有待提高。在本小节中所要设计的基于积分反演控制算法的控制器，将角度测量偏差考虑进控制器的设计中，使得所设计的姿态控制器受到的角度测量偏差的影响较小，从而实现对飞行器更好的飞行控制效果[10]。以翻滚角为例讲解姿态控制器的设计。翻滚角的数学模型表达式为：

5.2 仿真结果分析

由图1，图2明显可以看出，基于积分反演控制算法的控制器控制下俯仰角，翻滚角比基于反演控制算法的控制器控制下俯仰角，翻滚角的超调量小，从而系统的姿态会更加平稳。

6 结论

本文针对飞行器的姿态控制，积分反演控制器比反演控制器使飞行器更快的趋于稳定且超调量小，因此积分反演控制器使飞行器的动态性及稳定性更好。

参考文献

[1]马正华， 张倩倩， 陈岚萍. 四旋翼飞行器自适应反演姿态控制[J]. 智能系统学报， 2015（3）：454-459.

[2]Ma R C， Zhao J. Back stepping design for global stabilization of switched nonlinear systems in lower triangular form under arbitrary switching [J].Automatica，2010，46（11）：1819-1823.

[3]宋超， 赵国荣， 盖俊峰. 基于非线性干扰观测器的高超声速飞行器反演滑模控制[J]. Systems Engineering＼s&＼electronics， 2012， 34（6）：1231-1234.

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[5]于进勇， 陈洁， 周绍磊，等. 一类高超声速飞行器自适应容错控制器设计[J]. 中国科学：信息科学， 2012（11）：1391-1402.

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[9]凌金福. 四旋翼飞行器飞行控制算法的研究[D]. 南昌大学， 2013.

[10]黄依新. 四旋翼飞行器姿态控制方法研究[D]. 西安：西南交通大学， 2014.