基于線性二次高斯的四旋翼飛行器姿態控制

2014年11月26日14:08:28 本網站我要評論(2)字號：T | T | T

摘　　　要：以自主研發的四旋翼飛行器為研究對象，主要討論姿態控制器的設計方法。首先根據動力學原理和系統辨識得到姿態角系統的近似線性數學模型。其次，為獲取姿態控制所必需的姿態角信息，提出采用高性價比的陀螺儀結合加速度計，并利用卡爾曼濾波器推測姿態角的方法。較后，根據所得模型和卡爾曼濾波器設計了線性二次高斯控制器。實驗結果表明，設計的控制器具有良好的穩態和跟蹤性能，從而驗證了姿態角推測方法及控制器的可行性。

關　鍵　詞：四旋翼；姿態控制；線性二次高斯；卡爾曼濾波器

１　引　言

近年來，隨著地震、洪水、核污染等大型自然災害及事故頻發，微小型無人機的研究越來越受到人們的重視。微小型無人機是一種由無線電遙控設備或自身程序控制的無人駕駛飛行器。它具有體積小，機動性強，效費比高，無人員傷亡等特點，在軍用和民用領域具有廣泛的應用前景。微小型無人機按其機翼的運動方式一般可以分為固定翼（ｆｉｘｅｄｗｉｎｇ）和旋轉翼（ｒｏｔａｒｙｗｉｎｇ）兩類，旋轉翼無人機又可分為直升機（ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ）和多旋翼

（ｍｕｌｔｉｒｏｔｏｒ）無人機。固定翼機存在無法垂直起降、無空中定點懸浮機能等缺點，直升機雖克服了這些缺點，但因自身穩定性不高，負載能力弱，限制了其研究的發展與應用。因此，多旋翼無人機以其相對優越的性能逐漸成為微小型無人機領域研究的主流。

早在１９世紀中葉，多旋翼飛行器已經受到了海外一些研究機構的矚目。多旋翼飛行器雖然機械構造與飛行原理都很簡單，但對傳感器精度與控制理論的要求非常高。直至２０世紀初期，ＭＥＭＳ傳感器技術及嵌入式控制的高速發展使得多旋翼無人機的研究終于得到了突破。目前國外有代表性的多旋翼無人機科研團隊有美國的ＭＩＴ，日本的千葉大學，德國的ＡｓｃｅｎｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ等［１４］。這些機構都實現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、現代控制、模糊控制、非線性控制等［５］。我國對多旋翼無人機的研究起步相對較晚，主要的研究機構有南航、北航、國防科技大學等。但研究內容大多仍停留在基礎理論探討及模擬上，缺乏理論與實際機體的結合。

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