飛行器軌跡跟蹤控制探究范文

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摘要：針對四旋翼飛行器提出一種基于模糊自適應控制的自適應軌跡跟蹤控制算法。在外界氣流及姿態轉動模型干擾的影響下，保證了位置及姿態角可以快速、精準地進行軌跡跟蹤。位置控制器為解決飛行器在外界干擾下失衡或反應不靈敏的問題，設計自適應算法，提高了飛行器對外界干擾離的適應性。姿態控制器為消除轉動干擾力矩的問題，設計模糊自適應控制算法，對干擾進行模糊化并根據擾動的強弱而調節模糊輸出的大小。利用Lyapunov理論，證明整個閉環系統全局漸近穩定。仿真結果表明，該控制器對外界干擾具有較強的魯棒性。

關鍵詞：四旋翼飛行器；自適應；模糊；軌跡跟蹤

0引言

旋翼類飛行器能夠進行垂直起降、懸停、曲線循跡［1－2］等多種復雜的空間運動，具有快速性、靈活性、精準性等特點。近幾年，飛行器空前巨大的市場前景而備受學者的關注。飛行器可進行遙控和自主飛行，并具有較好的精確性、快速性、抗干擾性等特點。飛行器具有兩種空間坐標系六種相關聯的自由度，卻只有四種控制輸出，是典型的欠驅動系統［3］，其具有多輸入多輸出、非線性、強耦合等特點，采用模糊、自適應、觀察器、滑模控制、內外雙閉環等控制算法［4－10］。文獻［11］采用雙閉環滑模控制系統，并在外環自適應、內環加入干擾觀測器，使飛行器具有較好的抗干擾性和跟蹤精度。文獻［12］針對飛行器慣性參數不確定的情況，提出了一種濾波補償的參數不確定自適應軌跡跟蹤控制。在位置、姿態控制器的基礎上添加了線性微分跟蹤器以及慣性參數估計器，基于輸入輸出位置、姿態穩定性理論構造的控制律和慣性參數估計律，導出的姿態信號再運用線性微分跟蹤器進行指令動態補償，避免了軌跡跟蹤控制對時標分離的依賴。文獻［13］針對帶有模型參數不確定和風微擾狀況，提出了一種全局動態魯棒性控制策略，設計了模型預測控制器來實現直線運動部分的動態實時控制。引入全局魯棒滑模控制方法，來穩定四旋翼飛行器在參數不確定和風微擾情況下的旋轉姿態行為和直線運動。飛行器多進行戶外勘測，考慮到近地效應、槳葉揮舞、陣風等外界干擾的影響，對多種力學模型的對比分析［14－18］，采用歐拉－拉格朗日動力學模型，因此飛行器必須具有抗外界干擾的魯棒性。本文設計了基于滑模自適應控制的軌跡跟蹤自適應控制算法，提高了系統的靈敏度，完成了高精度的軌跡跟蹤控制。

1飛行器運動模型

四旋翼飛行器由十字交叉的四個直流無刷電機提供動力，通過改變螺旋槳的轉速進而完成飛行器的升降、翻滾、航偏等飛行動作。同時飛行器的空間運動將通過慣性坐標系轉換到剛體坐標系的姿態角變換上，如當W1≠W3，W2=W4將進行俯仰，W2≠W4，W1=W3時將進行翻滾，W1=W3≠W2=W4時進行航偏，當W1～W4之和垂直方向的升力與重力的大小決定升降變換。

2控制器設計

飛行器的控制系統可分為三部分:(1)控制信號發生器;(2)外環位置子系統自適應控制器和姿態子系統控制;(3)位置和姿態子系統。發生器產生飛行器所期望的飛行軌跡的位置和ψ期望姿態角，經由外環位置控制器產生θ、期望姿態角，并傳遞給內環姿態控制器由內環消除外環誤差;位置和姿態子系統用來產生新的位置和姿態角等信息并反饋給位置控制形成閉環。

3.結語

針對軌跡跟蹤類飛行器，設計一種高精度的自適應算法，通過自適應控算法，減少外界干擾的影響;并設計一種模糊自適應算法，進一步地消除氣動干擾和轉動慣性誤差等，從而減少滑膜抖振的影響。理論分析和仿真都表明，所設計的控制器具有較好的穩定性和抗干擾能力，這種基于模糊自適應控制策略對于飛行器克服外界及轉動干擾具有較好的參考意義。

作者：馬耀名；呂玉恒 單位：遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院