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1、四旋翼無人機設計與滑?？刂品抡?
摘要：隨著近些年自然災害的頻繁發(fā)生，四旋翼飛行器搜救設備得到越來越廣泛的應用。首先介紹四旋翼飛行系統(tǒng)的總體設計架構(gòu)，然后針對地面坐標系與集體坐標系建立了四軸飛行器的動態(tài)模型，同時為得到良好的響應速度、控制穩(wěn)定度與魯棒性，應用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論設計了飛行器的控制算法。最后通過仿真數(shù)據(jù)對相同條件下的PID控制器與該控制器比照，證明該控制器的強魯棒性和控制穩(wěn)定性滿足工程任務需求。關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；滑模變結(jié)構(gòu)控制；PID控制；建模仿真中圖分類號：TN964?34；V249.1文獻標識碼：A文章編號：1004?373X〔2021〕15?0080?04Designo
2、fquadrotorUAVanditsslidingmodecontrolsimulationYOUYuan1，LIWenxian2〔1.ChangchunUniversityofTechnology，Changchun130012，China；2.ChangchunInstituteofOptics，F(xiàn)ineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China〕Abstract：Withthefrequentoccurrenceofnaturaldisastersinrecentyears，quadrotorUA
3、Vsearchandrescueequipmentshavebeenappliedwidely.Theoveralldesignframeworkofquadrotoraircraftsystemisintroduced.Thedynamicmodelofquadrotoraircraftwasestablishedforgroundcoordinatesystemandglobalcoordinatesystem.Toobtainfastresponsespeed，andcontrolstabilityandrobustness，slidingmodevariablecontrolisuse
4、dtodesignaircraftcontrolalgorithm.SimulationdataarecomparedbetweenPIDcontrollerandtheproposedcontroller，itdemonstratesthatthestrongrobustnessandcontrolstabilityofslidingmodevariablecontrollercanmeetproject′smissionrequirements.Keywords：quadrotoraircraft；slidingmodevariablecontrol；PIDcontrol；modeling
5、simulation0引言四旋翼飛行器是有四個旋翼呈剛性十字結(jié)構(gòu)的一種飛行裝置，它通過控制四個旋翼的速度來實現(xiàn)垂直起降、自主懸停以及姿態(tài)控制等動作。因其具有適應復雜環(huán)境的能力、可低速飛行、機體結(jié)構(gòu)簡單、制造本錢低等優(yōu)點，可廣泛應用于軍事偵察、自然災害搜救遙感、高空拍攝等軍用與民用領域。隨著新型材料的應用、微處理器技術(shù)的進步、傳感器工藝的提高，電池續(xù)航能力的提升以及動力裝置的改善，四旋翼無人機成了近幾年來國內(nèi)外研究的焦點【1】。四旋翼飛行器是一個非線性、強耦合、欠驅(qū)動、時變的被控對象，其獨特的結(jié)構(gòu)布局和飛行控制的干擾敏感特性使其控制系統(tǒng)的設計變得較為復雜【2】。近些年國內(nèi)外學者對該飛行器的控制模
6、型做了大量的研究工作，文獻【3】將控制系統(tǒng)分為幾個獨立的通道，分別設計相應的PID控制器進行姿態(tài)與懸?？刂?，文獻【4】采用反步法，通過構(gòu)造適宜的Lyapunov函數(shù)求出控制律進行姿態(tài)與位置控制，得到了良好的跟蹤性與快速的調(diào)整時間。本文采用滑模變結(jié)構(gòu)控制理論推導了四旋翼無人機動力學模型的控制律，通過Matlab/Simulink對無人機動力模型的PID控制器與滑?？刂破鬟M行仿真比照，比照結(jié)果說明，本文設計的控制器具有響應速度快、控制過程平穩(wěn)、無超調(diào)與震蕩及強魯棒性等優(yōu)點。1四旋翼飛行器動力模型建立四旋翼飛行器可視為具有十字交叉固定結(jié)構(gòu)并具有4個獨立電機驅(qū)動螺旋槳的剛性系統(tǒng)，飛行器的運動完全由4個
7、電機的轉(zhuǎn)速控制，如圖1所示。四旋翼飛行器的動力模型輸入為4個螺旋槳的轉(zhuǎn)速，輸出為飛行器的位置〔x，y，z〕與飛行器的姿態(tài)角〔[?，][θ，][ψ]〕，由于其獨立控制變量個數(shù)小于系統(tǒng)自由度個數(shù)，因此該系統(tǒng)為欠驅(qū)動系統(tǒng)、動力不穩(wěn)定系統(tǒng)。四旋翼飛行器的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示，飛行器被視為一個剛體，現(xiàn)做如下假設：〔1〕地面為平坦的且靜止不動的近似慣性參考系；〔2〕重力加速度[g]為常數(shù)且方向向下垂直于地面；〔3〕大氣相對于地球為靜止的，且空氣密度不隨高度改變。圖1四旋翼飛行器簡化模型那么根據(jù)牛頓第二定律有：[mI00JVBωB+ωBmVBωBJωB=FBTB]〔2〕式中：[FB]表示機體受力，[FB∈R3
8、；][TB]為機體轉(zhuǎn)動力矩，[TB∈R3；][VB]表示機體的線速度，[VB∈R3；][ωB]表示機體角速度，[ωB∈R3；][J]表示機體的轉(zhuǎn)動慣性矩陣，[J∈R3；][I]表示單位矩陣，[I∈R3]。由公式〔2〕可推導得出飛行器的力學方程【5】：[u=1m〔mgsinθ-kd1x〕+ψv-θwv=1m〔-mgsin?cosθ-kd2y〕+?w-ψuw=1m[F1+F2+F3+F4-〔mgcos?cosθ-kd3z〕]+θu-?v]〔3〕式中：[u，][v，][w]分別表示沿機體坐標系[x，][y，][z]軸的機體速度；[kd1，][kd2，][kd3]分別為機體坐標系中沿著[x，][y，]
9、[z]軸運動的阻力系數(shù)。通過地面坐標系與機體坐標系的坐標轉(zhuǎn)換可得飛行器導航運動方程【5】：[x=F1+F2+F3+F4m〔cosψsinθcos?+sinψsin?〕-kd1xmy=F1+F2+F3+F4m〔sinψsinθcos?-cosψsin?〕-kd2ymz=F1+F2+F3+F4mcosθcos?-kd3zm-g]〔4〕式中：[F1，][F2，][F3，][F4]分別代表四個旋翼的升力。由于每個旋翼的轉(zhuǎn)動慣量相對于轉(zhuǎn)動力矩來說非常小，所以本文忽略了四個旋翼的陀螺力矩，根據(jù)角動量定理有：[dHBdtE=?HB?tB+ωBHB=TB][HB=JωB=Jxx-Jxx-Jxx-JxyJxx-
10、Jxx-Jxx-JxxJxxpqr]〔5〕式中：[HB]代表四旋翼飛行器角動量；[TB]代表作用于飛行器質(zhì)心的凈力矩，定義[TB=u2u3u4]，其中[u2，][u3，][u4]分別代表飛行器以機體坐標系中[x，][y，][z]軸的旋轉(zhuǎn)力矩，[u1]代表四個螺旋槳升力之和，[u1=FT；][p，][q，][r]分別為機體坐標系中每個軸的角速度。假設俯仰與橫滾的角度非常小，那么歐拉角速度可簡化為〔[?，][θ，][ψ]〕T=〔[p，][q，][r]〕T，通過公式〔5〕可推導出飛行器的扭矩方程為：[?=1Jx〔F3-F2〕l-kd4?-θψ〔Jz-Jy〕θ=1Jx〔F1-F4〕l-kd5θ-?ψ〔
11、Jx-Jz〕ψ=1Jx〔F1-F3+F4-F2〕l-kd6ψ-θ?〔Jy-Jx〕]〔6〕2四旋翼飛行器滑模變結(jié)構(gòu)控制設計滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設計，一般可以分為兩個局部，第一個局部是按照某種期望的動態(tài)特性來設計切換函數(shù)〔切換面〕，設計的切換函數(shù)使得開關(guān)面有某些優(yōu)良的品質(zhì)，從而使系統(tǒng)的狀態(tài)點可以快速穩(wěn)定地從滑模面外進入滑模面；而第二局部是設計能在切換面附近產(chǎn)生滑動模態(tài)的控制輸入。首先根據(jù)飛行器的動力模型可得控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程：[X=x2u1m〔cosx7sinx9cosx11+sinx7sinx11〕x4u1m〔cosx7sinx9sinx11-sinx7cosx11〕x5u1mcosx7cosx
12、9-gx8〔Jy-Jz〕x10x12+u2Jxx10〔Jz-Jx〕x8x12+u3Jyx12〔Jx-Jy〕x10x12+u4Jz]〔7〕式中：[X=[x，x，y，y，z，z，?，??=z8=x8-x7d-αz7Sθ=z10=x10-x9d-αz9Sψ=z12=x12-x11d-αz11]〔9〕那么到達條件，同時按照指數(shù)趨近律的控制方法可以推導得出四旋翼飛行器的控制方程為：[u1=mcosx7cosx9-εsgn〔Sz〕-kSz+zd+α〔zd-z〕+gu2=Jx-εsgn〔S?〕-kS?+?d+α〔?d-?〕-Jy-JzJxx10x12u3=Jy-εsgn〔Sθ〕-kSθ+θd+α〔θd-θ〕
13、-Jz-JxJyx8x12u4=Jz-εsgn〔Sψ〕-kSψ+ψd+α〔ψd-ψ〕-Jx-JyJzx8x10]〔10〕3滑?？刂频腗atlab/Simulink實現(xiàn)與仿真分析3.1滑?？刂葡到y(tǒng)Simulink設計本文根據(jù)上述理論推導結(jié)果，搭建出如圖2所示的仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入變量為期望的控制高度與控制姿態(tài)，控制子模塊的主要功能是實現(xiàn)滑模控制的主要算法，控制模塊的輸出作為系統(tǒng)動態(tài)模型的輸入進行迭代計算，最終到達控制目的。圖2滑模控制系統(tǒng)的Simulink總體框圖與控制子模塊整個控制系統(tǒng)的核心局部為滑?？刂谱幽K，其主要有高度[z]控制模塊，俯仰角[θ]控制模塊，橫滾角[?]控制模塊以及偏航角[
14、ψ]控制模塊四局部組成，它通過飛行器輸入制定控制值和飛行器的實時反響狀態(tài)變量來計算控制律，從而實現(xiàn)飛行器的制定高度與姿態(tài)飛行。3.2仿真結(jié)果分析在Matlab/Simulink中對本文設計的算法進行仿真，整個四旋翼飛行器參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)高度[z]的初始值為0，控制高度為0.5m，姿態(tài)角初始值為〔0.5，0.5，0.5〕rad，控制飛行器懸?！?，0，0〕rad，同時為驗證滑?？刂扑惴ǖ膹婔敯粜?，在各方向上參加一定幅度的隨機力矩〔[τ?=τθ=τψ=2.0]〕，經(jīng)過PID控制系統(tǒng)和滑?？刂葡到y(tǒng)仿真得到系統(tǒng)的狀態(tài)變量響應曲線分別如圖3，圖4所示。仿真結(jié)果比照可以看出，滑?？刂扑惴ǖ捻憫獣r間為1.6s，優(yōu)于PID控制算法的2s響應時間。同時PID算法控制下系統(tǒng)狀態(tài)變量在趨近期望值的過程中會產(chǎn)生一定量的超調(diào)，這在實際控制過程中會增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，且在一定的風力干擾下飛行器的姿態(tài)會產(chǎn)生抖動。相比較而言，滑模控制算法下的飛行器具有控制過程平穩(wěn)，響應速度快以及強魯棒性等優(yōu)點。
