基于线性二次高斯的四旋翼飞行器姿态控制

2014年11月26日14:08:28 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

摘　　　要：以自主研发的四旋翼飞行器为研究对象，主要讨论姿态控制器的设计方法。首先根据动力学原理和系统辨识得到姿态角系统的近似线性数学模型。其次，为获取姿态控制所必需的姿态角信息，提出采用高性价比的陀螺仪结合加速度计，并利用卡尔曼滤波器推测姿态角的方法。较后，根据所得模型和卡尔曼滤波器设计了线性二次高斯控制器。实验结果表明，设计的控制器具有良好的稳态和跟踪性能，从而验证了姿态角推测方法及控制器的可行性。

关　键　词：四旋翼；姿态控制；线性二次高斯；卡尔曼滤波器

１　引　言

近年来，随着地震、洪水、核污染等大型自然灾害及事故频发，微小型无人机的研究越来越受到人们的重视。微小型无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制的无人驾驶飞行器。它具有体积小，机动性强，效费比高，无人员伤亡等特点，在军用和民用领域具有广泛的应用前景。微小型无人机按其机翼的运动方式一般可以分为固定翼（ｆｉｘｅｄｗｉｎｇ）和旋转翼（ｒｏｔａｒｙｗｉｎｇ）两类，旋转翼无人机又可分为直升机（ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ）和多旋翼

（ｍｕｌｔｉｒｏｔｏｒ）无人机。固定翼机存在无法垂直起降、无空中定点悬浮机能等缺点，直升机虽克服了这些缺点，但因自身稳定性不高，负载能力弱，限制了其研究的发展与应用。因此，多旋翼无人机以其相对优越的性能逐渐成为微小型无人机领域研究的主流。

早在１９世纪中叶，多旋翼飞行器已经受到了海外一些研究机构的瞩目。多旋翼飞行器虽然机械构造与飞行原理都很简单，但对传感器精度与控制理论的要求非常高。直至２０世纪初期，ＭＥＭＳ传感器技术及嵌入式控制的高速发展使得多旋翼无人机的研究终于得到了突破。目前国外有代表性的多旋翼无人机科研团队有美国的ＭＩＴ，日本的千叶大学，德国的ＡｓｃｅｎｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ等［１４］。这些机构都实现了飞行器的完全自主飞行，其控制手法主要有ＰＩＤ控制、鲁棒控制、现代控制、模糊控制、非线性控制等［５］。我国对多旋翼无人机的研究起步相对较晚，主要的研究机构有南航、北航、国防科技大学等。但研究内容大多仍停留在基础理论探讨及模拟上，缺乏理论与实际机体的结合。

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