摘要:針對四旋翼無人機飛行控制系統存在非線性、強耦合、欠驅動和對擾動敏感等問題，設計了串級控制系統。在該控制系統中，外環位置環采用線性自抗擾控制器(ADRC)，內環姿態環采用一種改進的線性自抗擾控制器。在位置和姿態控制中，將所設計的控制器與線性自抗擾控制器和PID控制器做仿真分析對比。仿真結果表明:在一定外部干擾下，所設計的控制器具有良好的解耦效果，能對總擾動進行很好的估計并補償，提高了系統的抗干擾能力和魯棒性。

　　關鍵詞:四旋翼;串級控制系統;線性自抗擾控制

　　0引言

　　四旋翼無人機是一種能夠垂直起降、自由懸停的多旋翼直升機，具有體積小、結構簡單、易于維護、機動性能好等優點，在軍事、民用和科研等領域有著廣泛的應用前景，近年來成為國內外研究的熱點之一[1]。四旋翼無人機是一個四輸入六輸出的欠驅動、強耦合的非線性系統[2，3]。

　　另外由于其動力學模型的復雜性、模型參數的不確定性和建模不精確性等問題，以及四旋翼無人機實際飛行環境的復雜性，這對設計魯棒性強和抗干擾能力強的控制器提出了更高的要求。對此，國內外學者針對四旋翼無人機的飛行控制問題進行了相關研究。文獻[4]采用模糊比例—積分—微分(proportional-integral-differential，PID)控制方法進行控制系統設計，但控制系統的響應速度較慢，魯棒性能和抗干擾能力相對較差。文獻[5]提出一種將非線性魯棒控制用于四旋翼無人機路徑跟蹤的方法，但是該控制器的模型復雜，使用起來計算量較大。

　　文獻[6]采用反步法對整個四旋翼系統進行控制，該方法適合于非線性系統，但是其魯棒性較差，一般通過其他的方法對此進行補償。文獻[7]設計出一種比例—微分(proportional-differential，PD)控制和滑膜控制相結合的控制器，用于四旋翼無人機姿態控制，但由于滑模控制算法中含有不連續的切換項，容易造成控制輸入的高頻抖振，從而使系統的穩定性受到影響。

　　自抗擾控制[8](activedisturbancesrejectioncontrol，ADRC)技術是20世紀80年代由中國科學院韓京清教授在PID控制技術的基礎上改進而來的，該算法繼承了經典PID控制利用誤差消除誤差的思想，同時又結合了現代控制理論狀態觀測的優點，克服了PID控制的一些缺點。ADRC的最核心部分是擴張狀態觀測器(ESO)，可以將系統的內部擾動和外部擾動看成為總的未知擾動，利用ESO進行實時估計并在控制器中給予補償。

　　因此，ADRC適用于四旋翼無人機難以建立精確模型、欠驅動、強耦合的非線性系統。這種自抗擾控制算法是非線性的，這就使得控制器的參數過多，在實際應用中參數難以整定。因此美國克利夫蘭州立大學的高志強教授提出一種線性自抗擾控制器[9](linearADRC，LADRC)，它的參數相對于非線性自抗擾控制器大為減少，便于參數調節和算法實現。

　　本文針對四旋翼無人機非線性、強耦合、難以建立精確的數學模型和抗干擾能力差等問題，為位置環設計了LADRC，姿態環設計了改進的LADRC。并采用仿真實驗的方法將本文提出的控制器與LADRC和PID控制器作對比，對比三種控制器的控制效果。

　　1四旋翼無人機動力學模型建立

　　四旋翼的布局形式一般分為“X”型和“十”型兩種，本文選取“X”型布局形式建立四旋翼的數學模型。

　　2改進的LADRC設計

　　2.1控制系統總體設計

　　四旋翼無人機控制系統通常分為姿態子系統和位置子系統，姿態子系統也叫做雙閉環控制回路的內環，位置子系統則為外環。姿態控制是四旋翼飛行控制的基礎[11]，系統對內環控制的快速性和準確性要求較高，而傳統的線性自抗擾可以滿足一般系統的控制，所以外環采用LADRC，內環采用改進的LADRC。

　　3仿真分析

　　為了驗證所提出的改進的線性自抗擾算法的有效性和抗干擾能力，采用MATLAB軟件進行數值仿真實驗，將所提出的改進的LADRCC(improvedLADRC，ILADRC)與LADRC以及PID控制進行對比。

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　　4結論

　　針對四旋翼無人機在使用傳統PID控制時抗擾動性能差的問題，本文提出了一種改進的二階線性自抗擾算法，其中位置環采用LADRC，姿態環采用ILADRC。所設計的控制器能夠很好地實現姿態和位置的解耦控制，并能觀測出系統的內部擾動和外部擾動進行實時反饋補償控制，提高了系統的抗擾動能力，整個系統也具有更好的魯棒性。

　　在姿態控制中，仿真實驗證明了本文提出的ILADRC算法和LADRC算法在抗擾動性能和系統響應快速性方面要優于經典的PID控制，且ILADRC算法的系統響應速度與LADRC算法相比得到較大提高，抗擾動能力也得到一定的增強。在位置控制中，LADRC和ILADRC都能實現對無人機良好控制，但LADRC更符合實際工程的應用需求。

　　參考文獻:

　　[1]聶博文，馬宏緒，王劍，等.微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術[J].電光與控制，2007，14(6):113-117.

　　[2]MAHONYR，KUMARV，CORKEP.Multirotoraerialvehicles:Modeling，estimation，andcontrolofquadrotor[J].IEEERobotics&AutomationMagazine，2012，19(3):20-32.

　　[3]RYLLM，BULTHOFFHH，GIORDANOPR.ModelingandcontrolofaquadrotorUAVwithtiltingpropellers[C]∥IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation，IEEE，2012.

　　[4]李一波，宋述錫.基于模糊自整定PID四旋翼無人機懸停控制[J].控制工程，2013，20(5):910-914.

　　作者：吳君華1，謝習華1，2，李擁祺2