提出一种基于串级线性自抗扰(ADRC)的四旋翼无人机姿态控制器设计方法, 并采用比例-积分-速度(PIV)控制设计位置控制器, 实现四旋翼无人机的轨迹跟踪控制。对于姿态控制系统, 通过对俯仰、滚转和偏航3个通道设计线性扩张状态观测器(LESO), 对系统内部不确定性与外部扰动进行实时观测与补偿。对于位置控制系统, 采用PIV控制算法设计控制器, 完成平移变量的稳定跟踪控制。对所涉及的串级自抗扰姿态控制器的稳定性进行了分析说明。最后, 在Quanser飞行控制实验平台中进行轨迹跟踪实验, 验证了所提方法的有效性。

为了补偿四旋翼飞行器的参数不确定性和扰动, 提出一种四旋翼飞行器速度的线性自抗扰控制方法。首先, 分析了四旋翼飞行器的动力学模型, 质心在惯性坐标系中的z轴线速度采用一阶自抗扰控制, x轴和y轴线速度采用比例加前馈控制, 并利用李雅普诺夫函数证明了三轴速度环控制系统渐近稳定。然后, 分析虚拟姿态角度求解, 采用二阶线性自抗扰控制实现3个方向姿态角跟踪, 证明了二阶线性自抗扰控制系统的稳定性。最后, 仿真实验表明, 与PD控制的系统相比, 四旋翼飞行器的速度自抗扰控制系统3个轴的线速度跟踪更快、无超调且跟踪误差小; 3个方向姿态角的收敛速度更快、跟踪误差小。

首先对四旋翼进行了力学分析并建立了六自由度的数学模型, 然后针对四旋翼数学模型的欠驱动及强耦合特性, 提出了基于积分反步(IBS)和线性自抗扰(LADRC)相结合的控制方法对四旋翼进行轨迹跟踪控制。首先将整个控制分为外环位置控制和内环姿态角控制, 针对外环位置控制的欠驱动特性, 采用适用于欠驱动系统并且结构清晰的IBS控制方法, 针对存在严重耦合的内环姿态角控制, 则采用了具有抗耦合作用的LADRC控制策略, 仿真实验证明了该方法能实现四旋翼的轨迹跟踪。

提出四旋翼利用机载摄像头进行自主循迹的方案。采用机器视觉模块OpenMV获取地面图像, 将图像分割成5个区域, 通过计算和分析每个区域的标志位来识别各种赛道元素, 得出无人机相对于路径的水平偏差以及与路径的夹角。利用线性自抗扰控制器(LADRC)设计位置外环, 速度内环采用PID控制器, 两者形成位置—速度串级控制, 去消除水平误差。采取bang-bang控制算法进行飞行器航向纠正。以跟踪“8”字形轨迹进行了实验, 结果表明, 该方案具有良好的路径识别效果, 能够使四旋翼准确稳定地跟踪地面黑色引导线飞行。

为消除飞机姿态角速度变化对摆扫式航空相机反射镜组件进行前向像移补偿时的扰动，设计了线性自抗扰控制器(LADRC)，研究了角速度扰动与力矩扰动的等效关系和扰动估计及补偿方法。首先，分析了飞机姿态角速度扰动对像移补偿的影响；然后，建立了有力矩扰动作用时反射镜系统的数学模型，设计了用于扰动观测与估计的线性扩张状态观测器及带扰动补偿环节的控制律。最后，在反射镜组件上对LADRC的控制性能进行了实验，并与目前航空相机常用的滞后超前校正进行了比较。实验结果表明，与滞后超前校正相比，施加同样的扰动，线性自抗扰控制的扰动残差在1.4%以内，减小了75%左右，稳速精度达到0.25%，提高了扫描反射镜的稳速性能和鲁棒性。