飞行器轨迹跟踪控制探究范文

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摘要：针对四旋翼飞行器提出一种基于模糊自适应控制的自适应轨迹跟踪控制算法。在外界气流及姿态转动模型干扰的影响下，保证了位置及姿态角可以快速、精准地进行轨迹跟踪。位置控制器为解决飞行器在外界干扰下失衡或反应不灵敏的问题，设计自适应算法，提高了飞行器对外界干扰离的适应性。姿态控制器为消除转动干扰力矩的问题，设计模糊自适应控制算法，对干扰进行模糊化并根据扰动的强弱而调节模糊输出的大小。利用Lyapunov理论，证明整个闭环系统全局渐近稳定。仿真结果表明，该控制器对外界干扰具有较强的鲁棒性。

关键词：四旋翼飞行器；自适应；模糊；轨迹跟踪

0引言

旋翼类飞行器能够进行垂直起降、悬停、曲线循迹［1－2］等多种复杂的空间运动，具有快速性、灵活性、精准性等特点。近几年，飞行器空前巨大的市场前景而备受学者的关注。飞行器可进行遥控和自主飞行，并具有较好的精确性、快速性、抗干扰性等特点。飞行器具有两种空间坐标系六种相关联的自由度，却只有四种控制输出，是典型的欠驱动系统［3］，其具有多输入多输出、非线性、强耦合等特点，采用模糊、自适应、观察器、滑模控制、内外双闭环等控制算法［4－10］。文献［11］采用双闭环滑模控制系统，并在外环自适应、内环加入干扰观测器，使飞行器具有较好的抗干扰性和跟踪精度。文献［12］针对飞行器惯性参数不确定的情况，提出了一种滤波补偿的参数不确定自适应轨迹跟踪控制。在位置、姿态控制器的基础上添加了线性微分跟踪器以及惯性参数估计器，基于输入输出位置、姿态稳定性理论构造的控制律和惯性参数估计律，导出的姿态信号再运用线性微分跟踪器进行指令动态补偿，避免了轨迹跟踪控制对时标分离的依赖。文献［13］针对带有模型参数不确定和风微扰状况，提出了一种全局动态鲁棒性控制策略，设计了模型预测控制器来实现直线运动部分的动态实时控制。引入全局鲁棒滑模控制方法，来稳定四旋翼飞行器在参数不确定和风微扰情况下的旋转姿态行为和直线运动。飞行器多进行户外勘测，考虑到近地效应、桨叶挥舞、阵风等外界干扰的影响，对多种力学模型的对比分析［14－18］，采用欧拉－拉格朗日动力学模型，因此飞行器必须具有抗外界干扰的鲁棒性。本文设计了基于滑模自适应控制的轨迹跟踪自适应控制算法，提高了系统的灵敏度，完成了高精度的轨迹跟踪控制。

1飞行器运动模型

四旋翼飞行器由十字交叉的四个直流无刷电机提供动力，通过改变螺旋桨的转速进而完成飞行器的升降、翻滚、航偏等飞行动作。同时飞行器的空间运动将通过惯性坐标系转换到刚体坐标系的姿态角变换上，如当W1≠W3，W2=W4将进行俯仰，W2≠W4，W1=W3时将进行翻滚，W1=W3≠W2=W4时进行航偏，当W1～W4之和垂直方向的升力与重力的大小决定升降变换。

2控制器设计

飞行器的控制系统可分为三部分:(1)控制信号发生器;(2)外环位置子系统自适应控制器和姿态子系统控制;(3)位置和姿态子系统。发生器产生飞行器所期望的飞行轨迹的位置和ψ期望姿态角，经由外环位置控制器产生θ、期望姿态角，并传递给内环姿态控制器由内环消除外环误差;位置和姿态子系统用来产生新的位置和姿态角等信息并反馈给位置控制形成闭环。

3.结语

针对轨迹跟踪类飞行器，设计一种高精度的自适应算法，通过自适应控算法，减少外界干扰的影响;并设计一种模糊自适应算法，进一步地消除气动干扰和转动惯性误差等，从而减少滑膜抖振的影响。理论分析和仿真都表明，所设计的控制器具有较好的稳定性和抗干扰能力，这种基于模糊自适应控制策略对于飞行器克服外界及转动干扰具有较好的参考意义。

作者：马耀名；吕玉恒 单位：辽宁工程技术大学电气与控制工程学院