基于滑模和ESO的四旋翼飞行器遥感机动观测姿态控制

论文摘要

随着无人机(UAV)在民用各个行业应用领域的推广,对精准遥感的需求越来越强烈。旋翼飞行器作为无人机的一种,近年来发展迅速,已成为小范围精准遥感测绘的首选,然而其本身飞行的稳定性与遥感成像效果有着直接联系,因此姿态控制器也成为无人机稳定性能研究的基础问题。针对四旋翼飞行器运动的欠驱动、强耦合和非线性特性,本文提出一种基于滑模和扩张状态观测器(ESO)的姿态控制器,设计了可一系列实验方法来获取模型参数(转动惯量、升力系数、扭矩系数和电机时间常数),并建立四旋翼各个模块的数学模型。在此模型基础上,采用滑模控制器实现四旋翼飞行器姿态解耦鲁棒控制,通过sat函数替换符号函数改进滑模控制器结构,减缓颤振现象。同时,结合ESO实现对四旋翼姿态回路的系统干扰总和进行实时估计,其中干扰总和包括建模状态间耦合项、未建模动态以及外部干扰,从而对滑模控制器的输出进行实时干扰补偿,实现高品质的四旋翼姿态控制。本文设计2组实验:实际操纵指令跟踪实验;外界实际挂载重物干扰实验。通过实验对这2种四旋翼无人机姿态控制器(基于滑模和ESO的控制器、单独滑模控制器)进行仿真和实际试飞对比。实验结果表明,同等情况下,基于滑模和ESO的控制器能够实现姿态稳定且跟踪误差减少约20%,同时该控制方法增强了四旋翼的抗干扰能力,悬停时姿态角度波动幅度减少约50%,具有实际应用的价值。

论文目录

• 1 引言
• 2 四旋翼无人机建模及改进姿态控制器框架
•   2.1 四旋翼无人机建模过程
•   2.2 滑模控制方法的改进
•   2.3 四旋翼无人机的扩张状态观测器 （ESO） 构造
•   2.4 基于ESO的四旋翼滑模控制器架构改进
• 3 算法仿真与实验结果分析
•   3.1 仿真结果
•   3.2 试飞结果
• 4 结论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 龙诗科,孙山林,赵海盟

关键词: 滑模控制,扩张状态观测器,四旋翼,无人机,干扰估计,模型参数

来源: 地球信息科学学报 2019年04期

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 自然地理学和测绘学,航空航天科学与工程

单位: 桂林航天工业学院无人机遥测重点实验室,空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室(北京大学)

基金: 广西科技重大专项(桂科AA17204086),国家自然科学基金项目(61841101),广西自然科学基金重点项目(2016GXNSFDA380031),国家重点研发计划项目(2017YFB0503004-4)~~

分类号: P237;V243.5

页码: 532-541

总页数: 10

文件大小: 1747K

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