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        基于LADRC的四旋翼飛行器抗風(fēng)擾控制

        2021-05-08 06:48:28朱二琳趙俊杰
        江蘇理工學(xué)院學(xué)報 2021年2期

        朱二琳 趙俊杰

        摘? ? 要:對風(fēng)干擾下的四旋翼飛行器軌跡跟蹤控制問題進(jìn)行研究。在建模過程中考慮風(fēng)力的作用,針對飛行器位置回路和姿態(tài)回路,分別設(shè)計線性自抗擾控制器(LADRC),構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。將模型內(nèi)部的擾動和外部風(fēng)的干擾看作系統(tǒng)總的擾動,通過LADRC的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)進(jìn)行觀測,在控制律中予以補(bǔ)償,同時,還可消除位置通道和姿態(tài)通道之間的耦合。根據(jù)常值陣風(fēng)和正弦陣風(fēng)的干擾對模型和控制器進(jìn)行仿真,將控制性能同現(xiàn)有的控制算法進(jìn)行對比,結(jié)果驗證了方法的有效性和魯棒性。

        關(guān)鍵詞: 四旋翼;軌跡跟蹤控制;LADRC;風(fēng)擾

        中圖分類號:V249.1? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? 文章編號:2095-7394(2021)02-0016-09

        旋翼飛行器具有對稱分布的兩組螺旋槳,每組螺旋槳相對運(yùn)動,產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)可相互抵消。通過改變四個旋翼的轉(zhuǎn)速不僅能控制飛行器的飛行姿態(tài),還可以實現(xiàn)垂直升降和定點懸停,顯示了良好的可操縱性。因此,憑借結(jié)構(gòu)簡單、易于操作等優(yōu)點,當(dāng)前四旋翼飛行器已廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域[1-2]。

        同時,四旋翼飛行器作為一類欠驅(qū)動的系統(tǒng)(6個自由度,4個控制輸入),具有高度的非線性和強(qiáng)耦合性,易受到外界的干擾,從而增大了控制難度。目前,對于四旋翼飛行器的控制主要有以下幾種方法:ZHOU F等[3]、LEE D等[4]采用反饋線性化控制;ASHFAQ A等[5]、趙元偉等[6]、滕雄等[7]采用反步法控制,依賴于高精度的數(shù)學(xué)模型,但該方法不適用于復(fù)雜度較高或含有不確定項的模型;竇立謙等[8]將反步法與觀測器結(jié)合,使擾動的影響得到了改善,但控制器形式較為復(fù)雜,不利于工程實現(xiàn);RONG X等[9]、陳增強(qiáng)等[10]、ABCI B等[11]對四旋翼姿態(tài)的滑??刂谱隽艘欢ǖ墓ぷ?,但結(jié)果容易出現(xiàn)抖振,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定性;葉孝璐等[12]、李杰等[13]、楊立本等[14]將自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)應(yīng)用到了四旋翼,葉孝璐等研究了四旋翼的串級ADRC懸停控制,李杰等、楊立本等研究了四旋翼的ADRC姿態(tài)解耦控制,但對于陣風(fēng)的干擾缺少相關(guān)討論。

        本文主要對陣風(fēng)干擾下四旋翼飛行器的軌跡跟蹤控制進(jìn)行研究,將陣風(fēng)對飛行器的影響視為作用于飛行器的力,在運(yùn)動方程中予以體現(xiàn)。控制系統(tǒng)分為位置回路和姿態(tài)回路,分別設(shè)計線性自抗擾(Linear Active Disturbance Rejection Control, LADRC)控制器,通過線性的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器將陣風(fēng)對四旋翼的干擾進(jìn)行實時觀測,利用狀態(tài)反饋進(jìn)行消除;同時,對于建模中的不確定因素也可有效消除。仿真結(jié)果表明:此方法可有效消除陣風(fēng)對四旋翼飛行器的干擾,且易于實現(xiàn)。

        1? ? 四旋翼飛行器動力學(xué)模型

        1.1? 相關(guān)坐標(biāo)系

        建立如圖1所示的大地坐標(biāo)系[Oexeyeze]和飛行器體坐標(biāo)系[Obxbybzb],體坐標(biāo)系原點位于四軸的交點。體坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可以由一組歐拉角[Θ=[?? ?θ? ?ψ]T]來實現(xiàn),轉(zhuǎn)換矩陣用公式(1)表示:

        1.2? 運(yùn)動方程

        本文在四旋翼飛行器的動力學(xué)模型[8,15]中加入陣風(fēng)的作用。陣風(fēng)模型相對于大地坐標(biāo)系給出。由于四旋翼結(jié)構(gòu)關(guān)于原點對稱,風(fēng)力的作用所產(chǎn)生的力矩會相互抵消,所以只會改變飛行的速度,對角速度不會產(chǎn)生影響。在原有模型基礎(chǔ)上,得到風(fēng)干擾下的動力學(xué)模型,見式(3):

        2? ? LADRC控制策略設(shè)計

        自抗擾控制[16]是由中科院韓京清教授提出的一種不依賴系統(tǒng)精確模型,它是基于誤差消除誤差的新型控制算法,其核心部分?jǐn)U張狀態(tài)觀測器(Extended State Observer,ESO)可將系統(tǒng)內(nèi)部和外部的總擾動實時地進(jìn)行估計,從而在控制律設(shè)計中作相應(yīng)的補(bǔ)償。近年來,自抗擾控制也被廣泛應(yīng)用到飛行器控制領(lǐng)域[17-18]。本文選取調(diào)節(jié)參數(shù)相對較少的線性自抗擾控制[19-20]用于四旋翼飛行器的軌跡跟蹤控制。

        為了便于控制器設(shè)計,將式(5)改寫為:

        設(shè)計框圖如圖2所示,由位置回路和姿態(tài)回路構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

        2.1? 位置跟蹤控制

        設(shè)計線性ESO對位置回路總擾動[f1]做實時觀測,ESO的形式如下:

        3 仿真分析

        控制器參數(shù)選擇:

        仿真結(jié)果表明:無風(fēng)干擾的情況下,水平面位置大約2 s實現(xiàn)穩(wěn)定的跟蹤,高度在2 s達(dá)到期望的高度值,如圖3(a)所示。圖3(b)所示為姿態(tài)跟蹤曲線,滾轉(zhuǎn)角和俯仰角大約1.7 s實現(xiàn)穩(wěn)定的跟蹤,偏航角在2 s達(dá)到設(shè)定值。圖3(c)所示為四個旋翼的升力,各旋翼升力變化平緩,基本維持在2 N左右,總升力[T]為8 N。

        10 s之后向系統(tǒng)中加入沿[y]軸正向的常值風(fēng),由圖3(a)可以看出[y]軸的位置產(chǎn)生了最大0.33 m的偏移,2 s之后重新達(dá)到穩(wěn)態(tài),[x]軸和[z]軸的位置并未受到明顯的影響。

        四個旋翼的升力在加入陣風(fēng)后有所波動,如圖3(c)所示,隨著自抗擾控制器的調(diào)節(jié),2 s之后趨于穩(wěn)定。為了克服風(fēng)的干擾,總升力由8 N增加為8.5 N。

        同時,由于控制量的變化,引起滾轉(zhuǎn)角和俯仰角期望值的變化,如圖3(b)所示,2 s之后重新實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤。

        當(dāng)陣風(fēng)為正弦風(fēng)時,[y]軸位置偏離期望軌跡的誤差比常值風(fēng)增大,且呈正弦形變化。

        將本文提出的基于LADRC的控制算法同文獻(xiàn)[8]中基于ESO和反步法的控制方法進(jìn)行比較。如圖5、圖6所示分別為常值陣風(fēng)、正弦陣風(fēng)干擾下,[y]軸位置誤差曲線的對比圖。如表1所示為陣風(fēng)干擾下,[y]軸產(chǎn)生的最大偏移誤差的對比。

        針對四旋翼飛行器位置和姿態(tài)的二階系統(tǒng)進(jìn)行ESO的設(shè)計,不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,而將子系統(tǒng)的不確定項、外部干擾以及兩個回路之間的耦合看作系統(tǒng)總的擾動進(jìn)行觀測和補(bǔ)償,最終對象可近似化為二階積分串聯(lián)型。所以,在陣風(fēng)干擾下,LADRC表現(xiàn)出了更優(yōu)良的性能,且LADRC的設(shè)計參數(shù)較非線性的ADRC大大減少,更有利于工程的實現(xiàn)。

        4? ? 結(jié)語

        綜上,針對陣風(fēng)干擾下的四旋翼飛行器軌跡跟蹤控制問題進(jìn)行研究。在動力學(xué)模型中加入風(fēng)力的作用,控制策略采用位置回路和姿態(tài)回路的雙閉環(huán)控制,各回路單獨設(shè)計LADRC控制器。將子系統(tǒng)的不確定項、外部干擾以及內(nèi)部耦合看作總的擾動進(jìn)行觀測和補(bǔ)償。針對常值定向風(fēng)和正弦風(fēng)的干擾分別進(jìn)行仿真,并將結(jié)果同現(xiàn)有的算法進(jìn)行比較,仿真結(jié)果驗證了控制策略的有效性和魯棒性。

        本文目前只研究了常值定向風(fēng)和正弦風(fēng)的干擾,對于其他復(fù)雜風(fēng)場的影響以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模將在以后的研究中加以考慮。

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        責(zé)任編輯? ? 盛? ? 艷

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