基于跟踪微分器的四旋翼飞行器控制器

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1、第32卷第5期计算机仿真2015年5月文章编号：1006—9348(2015)05—0114—05基于跟踪微分器的四旋翼飞行器控制器庄超玮1，蒋炳炎L2，赵党军1，韩竞择1(1．中南大学航空航天学院，湖南长沙410083；2．中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)摘要：研究小型皤旋翼飞行器导航控制优化问题。针对当前许多控制方法需要四旋翼飞行器速度信号，四旋翼无人机无法获取速度信号情况下，传统控制方法便会失效，为解决上述问题，提出采用跟踪微分器的输出反馈控制器。跟踪微分器估算出四旋翼飞行器的速度值，实现无法获取速度信号

2、下的位置和姿态控制，并对基于微分跟踪器的控制器进行了设计和仿真。仿真结果表明上述控制方法和跟踪微分器观测的速度信号的有效性和可行性。关键词：四旋翼飞行器；输出反馈控制器；跟踪微分器中圈分类号：v271．4文献标识码：BQuadrotorAircraftControllerBasedonTrackingDifferentiatorZHUANGChao—Weil，JIANGBing—Yanl⋯，ZHAODang—Junl，HANJing—Zel(1．SchoolofAeronauticsandAstronautics，Cent

3、ralSouthUniversity，ChangshaHunan410083，China；2．CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，CentralSouthUniversity，ChangshaHunan410083，China)ABSTRACT：Navigationcontrolproblemofquadrotoraircraftwasstudiedinthepaper．Manycontrollawsneedve—locitysignal，thesecontrollaws

4、werefailedintheconditionthatvelocitysignalcannotobtained．Inthispaper，theoutputfeedbackcontrollerusingtrackingdifferentiatorwasproposedinordertosolvethisproblem．Trackingdifferen—tiatorwasusetoestimatethevelocitiesofquadrotoraircrafttoachievepositionandattitudecontr

5、01．Inthispaper，theresearchhasbeenverydetailedinbothcontrollerbasedtrackingdifferentiatordesignandsimulation．Simulationre—suhsshowtheexcellenteffectivenessoftheproposedcontrolmethodandtheestimationaccuracyoftrackingdifferenti—ator．KEYWORDS：Quadrotoraircraft；Outputf

6、eedbackcontroller；Trackingdifferentiator1引言’四旋翼飞行器是一种具有4个螺旋桨呈中心对称结构的飞行器，相比于直升机，小型四旋翼飞行器结构简单，适宜在复杂、狭小的环境下飞行；在飞行效果方面，该飞行器的盘旋稳定性更好，降落时地面效应不明显⋯。综合以上优势，小型四旋翼飞行器在侦查、通讯、测绘和预警预报拉3等方面具有极高的应用价值和广阔的应用前景。四旋翼飞行器系统是典型的4输入、6输出系统，具有多变量、非线性和强耦合等特点，对它控制方法的研究已经成为研究的热点。针对四旋翼飞行器的控制方法设

7、计呈现多样性，如反馈线性化控制器¨o、滑模控制器Ho、反步控制器"j、有界姿态控制器M1、非线性模型预测控制器一1、鲁棒自适应控制器睇1等。但是其中很多控制方法都需要得到四旋翼元人机速度信号，在元法直接获取速度信号时，这些控制方法便会失效。最常用的方法是设计状态观测器对未知的基金项目：湖南省自然科学基金(14JJ3042)收稿13期：2014—07—09修回日期：2014—08—27—114一速度值进行估计，目前许多方法都已被提出解决该问题，如基于神经网络的NN观测器pJ、有限时间收敛观测器¨⋯、有限时间收敛微分器Ll“、

8、积分器¨2。等方法。这些方法在对四旋翼无入机速度信号观测时，存在开始阶段观测值与实际值误差大、超调大，而且有一定延迟。针对速度信号无法直接测量情况下，四旋翼无入机控制问题。本文提出基于跟踪微分器的控制器方法。该控制器利用滑模技术和PD控制设计状态反馈控制器，实现对飞行器位置和姿态控制。在此基础上，应用跟