四旋翼无人机轨迹跟踪与控制系统仿真设计

张明家 冯秀 南京科技职业学院

四旋翼无人机是一种六自由度无人飞行器，能够完成定点悬停、垂直起降、低速飞行等特殊功能，相较于固定翼无人机和直升无人机，具有操控简单、灵活度高、维护方便等优点。四旋翼无人机以其优越的性能，广泛应用于侦查监控、电力巡检、航拍摄影等军用和民用领域。

随着技术的发展，四旋翼无人机已经要求具备半自主飞行和自主飞行能力，需要根据任务内容自主进行轨迹规划、按照参考轨迹进行飞行。本文基于串级PID 控制器，实现无人机的位置控制与姿态控制；采用带侧偏距与姿态角偏差反馈的横侧向轨迹跟踪方法，解决了四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中偏离航线的问题；并在Simulink 环境下对四旋翼模型、控制系统进行了系统仿真实验。

1 四旋翼无人机控制器设计

通过机理建模法，对四旋翼无人机各个组成部分进行受力分析和理论计算，使用牛顿欧拉方程，建立动力学模型和运动学模型。

四旋翼无人机的底层飞行控制可以分为位置控制与姿态控制，位置控制根据期望的位置解算期望姿态角以及期望总拉力，姿态控制则根据期望姿态角解算期望力矩，解算得到的力和力矩输入到系统模型中的控制分配模块以及电机控制模块，解算出每个电机的期望转速和期望油门指令。本文采用串级PID 控制算法，外环角度控制系统的输入信息为无人机的姿态角度，内环角速度控制系统的输入信息为姿态角速度、姿态角速度的积分和姿态角速度的微分。

当无人机偏离轨迹航线时，控制器通过计算侧偏距，作为反馈值调整滚转角朝轨迹航线逼近，实现精准的轨迹跟踪。

图1 带侧偏距反馈的横向轨迹跟踪

2 仿真验证与分析

在Matlab/Simulink 中搭建系统仿真模型，包括轨迹跟踪控制器、位置控制器、姿态控制器、四旋翼无人机系统模型。为了验证轨迹跟踪算法，选取一种对角线航迹路径点，比较传统串级PID 算法与带侧偏距反馈的串级PID 算法的控制效果。

表1 航迹点数据

跟踪航迹路径点过程中，四旋翼无人机需要同时改变俯仰和横滚通道的角度值，两个通道变化率不同导致无法精准的跟踪轨迹，存在偏移误差。

图2 侧偏距误差对比图

3 结论

本文针对四旋翼无人机轨迹跟踪及控制问题，采用串级PID 算法实现了无人机的位置控制器和姿态控制器设计，并在水平通道上采用侧偏距反馈的算法解决了轨迹跟踪航迹偏移的问题，在Simulink环境中对系统进行了完整的仿真实验，仿真结果表明本文所设计的方法是有效可行的。该仿真系统可以应用于无人机实验教学过程中，便于学生直观准确的观测无人机的飞行状态以及进行控制器调参实验等。该系统当前针对不同轨迹点，侧偏距反馈算法的比例系数需要进行手动调整，后续将针对侧偏距与姿态角偏差的大小进行动态调整，提高系统的自适应性能。