基于干扰补偿的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2024.02.010

现代防御技术 ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (2): 87-93.DOI: 10.3969/j.issn.1009-086x.2024.02.010

基于干扰补偿的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

范文茹¹(), 刘权威¹, 田栢苓²

^1.中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300
^2.天津大学电气与信息工程学院，天津 300072

收稿日期:2023-12-28 修回日期:2024-01-25 出版日期:2024-04-28 发布日期:2024-04-29
作者简介:范文茹(1984-)，女，回族，安徽合肥人。教授，博士，研究方向为航空材料无损检测技术、无人机运动规划。E-mail：wenrufan@hotmail.com

Trajectory Tracking Control of Quadrotor UAV Based on Disturbance Compensation

Wenru FAN¹(), Quanwei LIU¹, Bailing TIAN²

^1.School of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China
^2.School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China

Received:2023-12-28 Revised:2024-01-25 Online:2024-04-28 Published:2024-04-29

摘要/Abstract

摘要：

针对带有未知外部扰动的四旋翼无人机轨迹稳定跟踪问题，设计了一种基于干扰补偿的控制策略。针对四旋翼无人机位置环设计PID位置控制器，并基于干扰估计器对外部干扰进行补偿。通过姿态解算得到期望姿态，并针对四旋翼无人机姿态环设计具有强鲁棒性能的INDI姿态控制器，通过Simulink进行仿真对比试验。实验结果表明，该控制策略可实现带有未知外部扰动条件下的四旋翼无人机轨迹跟踪能力。

关键词: 四旋翼无人机, 轨迹跟踪, 干扰补偿, 位置控制器, 姿态解算, 姿态控制器

Abstract:

A control strategy based on disturbance compensation is devised to address the issue of stabilizing trajectory tracking for quadcopter unmanned aerial vehicles （UAVs） with unknown external disturbances. Firstly， this paper designs a PID position controller for the quadcopter UAV’s position loop and compensates for external disturbances using a disturbance observer. Secondly， the desired attitude is obtained through attitude computation， and an incremental nonlinear dynamic inversion（INDI） attitude controller with strong robust performance is designed for the quadcopter UAV’s attitude loop. Finally， simulation and comparative experiments are conducted by Simulink. Experimental results indicate that this control strategy can achieve trajectory tracking capability for quadcopter UAVs under conditions of unknown external disturbances.

Key words: quadrotor unmanned aerial vehicles UAV, trajectory tracking, disturbance compensation, position controller, attitude computation, attitude controller

中图分类号:

V279⁺.2

范文茹, 刘权威, 田栢苓. 基于干扰补偿的四旋翼无人机轨迹跟踪控制[J]. 现代防御技术, 2024, 52(2): 87-93.

Wenru FAN, Quanwei LIU, Bailing TIAN. Trajectory Tracking Control of Quadrotor UAV Based on Disturbance Compensation[J]. Modern Defense Technology, 2024, 52(2): 87-93.

图/表 8

图 1 四旋翼结构

Fig. 1 Quadrotor structure

图2 总体结构图

Fig. 2 Overall structure

表1 四旋翼参数

Table1 Quadrotor parameters

参数	数值
$m$ /kg	0.625
$l$ /m	0.127 5
$g$ /（m·s^-2）	9.8
$k$ /（Nms²·rad^-2）	7.2×10^-7
$c$ /（Ns²·rad^-2）	1.98×10^-6
$I x$ /kgm²	2.6×10^-3
$I y$ /kgm²	2.4×10^-3
$I z$ /kgm²	2.6×10^-3

表1 四旋翼参数

Table1 Quadrotor parameters

参数	数值
$m$ /kg	0.625
$l$ /m	0.127 5
$g$ /（m·s^-2）	9.8
$k$ /（Nms²·rad^-2）	7.2×10^-7
$c$ /（Ns²·rad^-2）	1.98×10^-6
$I x$ /kgm²	2.6×10^-3
$I y$ /kgm²	2.4×10^-3
$I z$ /kgm²	2.6×10^-3

表2 控制器参数

Table 2 Controller parameters

参数	数值
$k p$	$d i a g (100,100,100)$
$k i$	$d i a g (60,60,60)$
$k d$	$d i a g (10,10,10)$
$L 0$	$10$
$K 1$	$d i a g (200,200,200)$
$K Θ$	$d i a g (400,400,400)$
$K ω$	$d i a g (60,60,60)$

表2 控制器参数

Table 2 Controller parameters

参数	数值
$k p$	$d i a g (100,100,100)$
$k i$	$d i a g (60,60,60)$
$k d$	$d i a g (10,10,10)$
$L 0$	$10$
$K 1$	$d i a g (200,200,200)$
$K Θ$	$d i a g (400,400,400)$
$K ω$	$d i a g (60,60,60)$

图3 无干扰时轨迹跟踪曲线及姿态角跟踪曲线

Fig. 3 Trajectory tracking curves and attitude angle tracking curves without interference

图 4 无干扰时轨迹跟踪误差及姿态角跟踪误差

Fig. 4 Trajectory tracking errors and attitude angle tracking errors without interference

图 5 有干扰时轨迹跟踪曲线及姿态角跟踪曲线

Fig. 5 Trajectory tracking curves and attitude angle tracking curves with interference

图 6 有干扰时轨迹跟踪误差及姿态角跟踪误差

Fig. 6 Trajectory tracking errors and attitude angle tracking errors with interference

参考文献 17

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基于干扰补偿的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

Trajectory Tracking Control of Quadrotor UAV Based on Disturbance Compensation

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