饒文平

摘 要：本文針對飛行器的姿態(tài)設(shè)計了反演控制器，并通過仿真實(shí)驗證明所設(shè)計的反演控制器對于控制四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行的有效性，為更好的提高飛行器的動態(tài)性能和穩(wěn)定性，將角度測量偏差考慮進(jìn)姿態(tài)控制器的設(shè)計中，使得所設(shè)計的姿態(tài)控制器受到的角度測量偏差較小，從而對四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)更好的控制，設(shè)計了積分反演控制器，通過仿真實(shí)驗對兩種控制器進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；反演控制器；積分反演控制器

近年來，四旋翼飛行器由于它的廣泛使用逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。飛行器的控制研究包含多個領(lǐng)域，如數(shù)字濾波，基于GPS的位置估計，傳感器的數(shù)據(jù)融合等等，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗，因此，各國學(xué)者致力于控制算法的研究。其中反演方法對于控制系統(tǒng)的處理具有其自身的優(yōu)越性，尤其在控制非線性系統(tǒng)時，系統(tǒng)的某些特性如過渡品質(zhì)等可以得到有效的改善。四旋翼飛行器是典型的非線性控制系統(tǒng)，雖然對其非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡化，但其姿態(tài)控制與位置控制之間仍存在耦合，利用該方法設(shè)計的控制器具有系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，對系統(tǒng)的匹配性約束、非線性增長條件不是非常嚴(yán)格，能得到較好的瞬態(tài)性能，因此反演法在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用甚多。針對飛行器的姿態(tài)控制，文獻(xiàn)[1]提出了自適應(yīng)反演控制方法，文獻(xiàn)[2]提出基于李雅譜普諾夫函數(shù)的反演鎮(zhèn)定控制律設(shè)計方法，文獻(xiàn)[3]提出反演滑?？刂品椒ǎ墨I(xiàn)[4]提出基于反演控制方法的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，文獻(xiàn)[5]提出反演容錯控制方法，這些文獻(xiàn)中的控制方法都在反演控制方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，本文針對飛行器的姿態(tài)角控制，在反演控制器基礎(chǔ)上，將角度測量偏差考慮進(jìn)控制器的設(shè)計中，使得所設(shè)計的姿態(tài)控制器受到的角度測量偏差的影響較小，從而使飛行器在飛行時的動態(tài)性能和穩(wěn)定性更好。

1 四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型

四旋翼飛行器通過四個螺旋槳產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)對飛行器的控制。通常有兩種常用坐標(biāo)系描述四旋翼飛行器：慣性坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系。兩種坐標(biāo)系可以相互轉(zhuǎn)換，由機(jī)體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣用R和T表示[6]。

4 積分反演控制器的設(shè)計

在實(shí)際飛行中，所設(shè)計的反演姿態(tài)控制器，由于飛行器在飛行過程中受到風(fēng)的影響及角度測量偏差的影響，控制效果還有待提高。在本小節(jié)中所要設(shè)計的基于積分反演控制算法的控制器，將角度測量偏差考慮進(jìn)控制器的設(shè)計中，使得所設(shè)計的姿態(tài)控制器受到的角度測量偏差的影響較小，從而實(shí)現(xiàn)對飛行器更好的飛行控制效果[10]。以翻滾角為例講解姿態(tài)控制器的設(shè)計。翻滾角的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

5.2 仿真結(jié)果分析

由圖1，圖2明顯可以看出，基于積分反演控制算法的控制器控制下俯仰角，翻滾角比基于反演控制算法的控制器控制下俯仰角，翻滾角的超調(diào)量小，從而系統(tǒng)的姿態(tài)會更加平穩(wěn)。

6 結(jié)論

本文針對飛行器的姿態(tài)控制，積分反演控制器比反演控制器使飛行器更快的趨于穩(wěn)定且超調(diào)量小，因此積分反演控制器使飛行器的動態(tài)性及穩(wěn)定性更好。

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