四旋翼无人机路径跟踪控制系统设计与实现

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四旋翼无人机因其结构简单,控制灵活,支持垂直起飞、垂直下降,空中悬停以及可以实现低空稳定飞行的特性,在众多的领域得到了广泛的应用,成为国内外的研究热点。然而,四旋翼无人机是一个非常复杂的系统,具有非线性程度较高,耦合性较强,驱动性欠缺等特点,导致了其动力学模型的建立、飞行路径的跟踪控制都有较大难度。近年来,随着四旋翼无人机的相关理论的发展,四旋翼无人机的飞行原理和动力学模型被不断完善,针对四旋翼无人机的路径跟踪控制算法发展,但应用最广泛的还是PID算法。PID算法是经典控制中的一种典型算法,具有模型简单,容易调试,控制鲁棒性较好的优点。但是PID算法是一种线性方法,对四旋翼无人机等非线性系统的控制会导致性能的丢失。自抗扰控制(Auto/Active Distribute Rejection Controller,ADRC)算法是针对PID算法的缺陷改进得到的,不仅具有PID算法的所有优点,还具有较好的动态控制性能。ADRC算法中的核心部分是状态观测器,通过观测来自对系统外部的扰动并对系统的控制器进行补偿,具有较好的鲁棒性。在大疆M100四旋翼无人机上设计了基于ADRC的路径跟踪控制器并完成了ADRC的参数整定。通过路径跟踪控制实验表明:ADRC对四旋翼无人机路径跟踪控制具有良好的响应速度和动态稳定性,并且路径跟踪的精度十分理想。最后,基于ADRC控制器设计并实现了无人机的飞行控制管理系统,并对系统进行了功能测试,验证了系统可用性。
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