小型旋翼无人机的机动飞行控制

摘要

和大型的无人机相比,小型无人机造价便宜,携带方便,机动性好,特别是旋翼型的无人机,它具有垂直起降,悬停的功能,所以非常适合在低空和狭窄的环境中使用,在军事和民用领域都具有很好的应用前景。
　　 本文主要解决基于无人机六自由度刚体模型的控制器设计问题。首先介绍了小型旋翼无人机的系统构成、每个部分的作用、系统的特点以及控制难点,然后详细回顾了各种建模方法和控制方法,并且进行了总结对比。
　　 关于控制器的设计,本文介绍了一种分内外环控制结构:外环是位置控制,时间尺度慢:内环是姿态控制,时间尺度快。基于该结构,先把双预测PI控制方法同时用于位置和姿态的控制,接着对外环设计了三预测PI控制器,它不需要速度信号,定点跟踪精度高,但是动态跟踪能力较差;还详细讨论了在考虑传感器测量噪声的情况下线性扩张状态观测器的设计问题,把它用于估计无人机的速度和内外扰动,再把基于该观测器的自抗扰控制用于位置的控制。最后还介绍了一种不分内外环的控制结构,采用自适应滤波反步的方法估计无人机的质量并且用李亚普诺夫函数证明了控制系统的稳定性。
　　 本文用MATLAB/SIMULINK进行了仿真,结果表明设计的控制律能很好应对无人机质量变化,风的干扰,执行器时滞,轨迹跟踪效果良好,提出的扩张观测器结构能准确估计速度和干扰,同时有效地抑制测量噪声,不过每种方法都有自己的不足,需要看具体情况选择不同的方法。不同于先前的很多控制方法,本文在解决上述的问题的同时,没有使得控制器结构变得很复杂,参数调节也非常容易。