基于線性二次高斯的四旋翼飛行器姿態(tài)控制

2014年11月26日14:08:28 本網(wǎng)站我要評(píng)論(2)字號(hào)：T | T | T

摘　　　要：以自主研發(fā)的四旋翼飛行器為研究對(duì)象，主要討論姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)方法。首先根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理和系統(tǒng)辨識(shí)得到姿態(tài)角系統(tǒng)的近似線性數(shù)學(xué)模型。其次，為獲取姿態(tài)控制所必需的姿態(tài)角信息，提出采用高性?xún)r(jià)比的陀螺儀結(jié)合加速度計(jì)，并利用卡爾曼濾波器推測(cè)姿態(tài)角的方法。較后，根據(jù)所得模型和卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)了線性二次高斯控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制器具有良好的穩(wěn)態(tài)和跟蹤性能，從而驗(yàn)證了姿態(tài)角推測(cè)方法及控制器的可行性。

關(guān)　鍵　詞：四旋翼；姿態(tài)控制；線性二次高斯；卡爾曼濾波器

１　引　言

近年來(lái)，隨著地震、洪水、核污染等大型自然災(zāi)害及事故頻發(fā)，微小型無(wú)人機(jī)的研究越來(lái)越受到人們的重視。微小型無(wú)人機(jī)是一種由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制的無(wú)人駕駛飛行器。它具有體積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，效費(fèi)比高，無(wú)人員傷亡等特點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。微小型無(wú)人機(jī)按其機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)方式一般可以分為固定翼（ｆｉｘｅｄｗｉｎｇ）和旋轉(zhuǎn)翼（ｒｏｔａｒｙｗｉｎｇ）兩類(lèi)，旋轉(zhuǎn)翼無(wú)人機(jī)又可分為直升機(jī)（ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ）和多旋翼

（ｍｕｌｔｉｒｏｔｏｒ）無(wú)人機(jī)。固定翼機(jī)存在無(wú)法垂直起降、無(wú)空中定點(diǎn)懸浮機(jī)能等缺點(diǎn)，直升機(jī)雖克服了這些缺點(diǎn)，但因自身穩(wěn)定性不高，負(fù)載能力弱，限制了其研究的發(fā)展與應(yīng)用。因此，多旋翼無(wú)人機(jī)以其相對(duì)優(yōu)越的性能逐漸成為微小型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域研究的主流。

早在１９世紀(jì)中葉，多旋翼飛行器已經(jīng)受到了海外一些研究機(jī)構(gòu)的矚目。多旋翼飛行器雖然機(jī)械構(gòu)造與飛行原理都很簡(jiǎn)單，但對(duì)傳感器精度與控制理論的要求非常高。直至２０世紀(jì)初期，ＭＥＭＳ傳感器技術(shù)及嵌入式控制的高速發(fā)展使得多旋翼無(wú)人機(jī)的研究終于得到了突破。目前國(guó)外有代表性的多旋翼無(wú)人機(jī)科研團(tuán)隊(duì)有美國(guó)的ＭＩＴ，日本的千葉大學(xué)，德國(guó)的ＡｓｃｅｎｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ等［１４］。這些機(jī)構(gòu)都實(shí)現(xiàn)了飛行器的完全自主飛行，其控制手法主要有ＰＩＤ控制、魯棒控制、現(xiàn)代控制、模糊控制、非線性控制等［５］。我國(guó)對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的研究起步相對(duì)較晚，主要的研究機(jī)構(gòu)有南航、北航、國(guó)防科技大學(xué)等。但研究?jī)?nèi)容大多仍停留在基礎(chǔ)理論探討及模擬上，缺乏理論與實(shí)際機(jī)體的結(jié)合。

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基于線性二次高斯的四旋翼飛行器姿態(tài)控制

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