六旋翼飞行器姿态控制系统优化设计

0引言 与传统的无人飞行器相比，六旋翼飞行器具有结构简
单，带负载能力强，可垂直起降，空中定点悬停，重量轻，携 带方便，安全隐患小等优点［1，2］。近年来，多旋翼无人飞行 器在工程中的应用也逐步增加。但其存在的多变量、非线 性、强耦合、欠驱动和参数不确定等特点限制了其在很多领 域的应用［3］，文献［4］提 出 了 用 改 进 型 的 自 适 应 滑 模 控 制 器方法，该方法有效地避免了自适应切换增益与扰动不确 定上界相差过 大 的 问 题，有 效 降 低 了 抖 振，但 收 敛 速 度 过 慢，在要求快速 收 敛 的 场 合 不 适 用。 文 献［5］提 出 了 改 进 型比例—积分—微分（ proportional integral differential，PID） 变 结构控制方法，该方法较好消除了姿态角控制的抖动问题，
降低控制系统的抖振。通过 Lyapunov 稳定性定理证明了飞行器控制系统是稳定且指数收敛的。仿真结
果表明： 和传统的干扰观测器相比，所设计控制器对六旋翼无人飞行器的姿态控制具有更快的响应速度，
提高了干扰抑制能力和系统稳定性。
关键词： 六旋翼飞行器； 指数收敛； 干扰观测器； 滑模控制； 姿态控制
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中图分类号： TP 391
Abstract： The control system of six rotor aircraft has characteristics of less driving，strong coupling and nonlinear，aiming at the problem that attitude control in the control system is easily to be affected by the changes of inner parameters of system and interference of external unknown condition，a control method of disturbance observer based on exponential convergence is proposed． In order to improve the response speed and robustness of the system，combine the disturbance observer with the adaptive sliding mode controller，and use the boundary layer method to reduce the chattering of the control system． The Lyapunov stability theorem proves that the control system of the aircraft is stable and exponentially convergent． The simulation results show that compared with the traditional disturbance observer，the designed controller has faster response speed to the attitude control of the six rotor UAV，and improves the ability of disturbance suppression and system stability． Keywords： six rotor aircraft； exponential convergence； disturbance observer； sliding mode control； attitude control
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 04—0078—04
Optimal design of attitude control system of six rotor aircraft*
ZHAO Wen-long，CHEN Yu-lin，CHENG Ｒuo-fa
（ College of Information Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）
提高 了系统的抗干扰能力，但系统的动态性能一般。文 献［6］提出了一种用径向基函数（ radial basis function，ＲBF） 神经网络的非线性自适应反演控制器方法，该方法使控制系 统取得了较好的稳定性和鲁棒性，但 ＲBF 神经网络算法运 算复杂，对处理器的性能要求较高。文献［7］提出了用 PID 控制算法和积分控制算法相结合的滑模控制器的方法，在一 定程度上提高了系统稳定性，但系统的动态性能下降较大。 文献［8］提出了用扩张状态观测器和模糊状态误差反馈控 制器的方法，提高系统的鲁棒性和降低了系统的稳态误差， 对飞行的姿态控制有较好的效果，但响应速度慢。
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传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
2019 年 第 38 卷 第 4 期
檸檸檸檸檸殠 设计与制造
DOI： 10． 13873 / J． 1000—9787（ 2019） 04—0078—04
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六旋翼飞行器姿态控制系统优化设计*
本文设计了一种易于实现的且能够指数收敛的对六旋 翼飞行器进行姿态控制的干扰观测器，为了提高系统地鲁
赵文龙，陈玉林，程若发
（ 南昌航空大学 信息工程学院，江西 南昌 330063）
摘 要： 六旋翼飞行器的控制系统具有欠驱动、强耦合、非线性等特点，针对控制系统中的姿态控制易受
系统内部参数变化和外部未知条件干扰的问题，提出了一种基于指数收敛的干扰观测器的控制方法。为
了提高系统的响应速度和鲁棒性，在干扰观测器的基础上和自适应滑模控制器相结合，并采用边界层法，