【摘 要】
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四旋翼无人机具有简单的机体结构,运动灵活,能够做到垂直起落,具有操作简单,携带便捷等特点,在农用以及军用的多个行业都被广泛应用,逐渐成为了国内外研究的热点。同时四旋翼是一个典型的强耦合、非线性、欠驱动的复杂系统,其抗干扰能力一般且气动特性容易受到外界环境的干扰。针对植保无人机复杂的工作环境,飞行控制方法就显得尤为重要。因此,本文主要对植保无人机的轨迹跟踪控制问题进行研究,其主要研究内容如下:（1）
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四旋翼无人机具有简单的机体结构,运动灵活,能够做到垂直起落,具有操作简单,携带便捷等特点,在农用以及军用的多个行业都被广泛应用,逐渐成为了国内外研究的热点。同时四旋翼是一个典型的强耦合、非线性、欠驱动的复杂系统,其抗干扰能力一般且气动特性容易受到外界环境的干扰。针对植保无人机复杂的工作环境,飞行控制方法就显得尤为重要。因此,本文主要对植保无人机的轨迹跟踪控制问题进行研究,其主要研究内容如下:（1）对四旋翼的结构特点、运动学以及动力学进行了分析,基于牛顿欧拉方程建立数学模型。为了将控制器设计的复杂程度进行简化,将控制器分成位置和姿态两部分分别设计。（2）基于串级PID控制算法设计控制器,仿真结果显示该控制方法在无干扰时能够完成轨迹跟踪,控制效果良好。但存在干扰时,其跟踪效果一般。因此采用滑模控制（Sliding mode control,SMC）算法设计控制器。仿真结果显示,其鲁棒性、响应速度和稳定性都要优于串级PID。（3）使用串级自抗扰控制（Active disturbance rejection control,ADRC）算法进行控制器的设计。仿真结果显示,该控制方法在有扰动的情况下依然能够实现较为精准的轨迹跟踪,但其控制器实质为PD控制,所以其响应速度以及稳定性具有一定的提升空间。（4）由于扩张状态观测器（Extended state observer,ESO）是ADRC的核心部分,因此基于ESO设计SMC控制器。首先对SMC中的抖振进行简单处理,然后将传统ESO进行改进,使其对内外部不确定总扰动的估计更加精确。通过对不同算法的仿真结果对比,证明了该方法对未知扰动具有出色的抑制能力、更快的响应速度和更好的稳定性,能够提高无人机系统的飞行稳定能力。综上所述,在传统算法的基础上,本文所设计的控制器既有SMC的响应速度快、鲁棒性强和稳定性高的优势,又能通过ESO精确的估计系统扰动,具备较强的抗干扰能力,使控制器的整体性能大幅提升。最后将设计的控制器用于植保无人机,通过仿真证明能够让植保无人机出色完成复杂环境中的任务。
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