四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究(精).pdf

古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。——苏轼

专业学位硕士学位论文四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ

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学号：墨！呈Ｑ旦Ｑ墨２

大连理工夫学

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大连理工大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得

的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其

他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过

的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明

并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

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大连理工大学专业硕士学位论文

摘要

四旋翼飞行器是一种非共轴式碟形飞行器，由于其结构简单、机动性能好、制造

成本低廉，被广泛应用于监视、侦察等民用和军用领域。为保证四旋翼飞行器能

有效完成指定任务，控制系统的设计就显得尤为重要。本文采用串级ＰＩＤ控制

和自抗扰控制两种方法对四旋翼飞行器控制问题进行了研究。

本文在分析四旋翼飞行器工作原理和动力学特性的基础上，基于牛顿一欧拉方程

建立其动力学模型，并在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下构建四旋翼飞

行器控制系统仿真平台。针对四旋翼飞行器系统的非线性、欠驱动、强耦合、不

确定性的特点，首先采用不依赖对象模型的ＰＩＤ控制技术设计了四旋翼飞行器

控制系统。其姿态控制采用串级ＰＩＤ控制器，其中主回路对姿态角的角度进行

控制，副回路对角速度进行控制。对该控制方法进行了仿真实验，并在自主研发

的四旋翼飞行器Ｓｍａｒｔ．ＱＲ平台上进行实际实验，仿真实验和实际实验的

结果都验证了串级ＰＩＤ控制系统的有效性。但由于在实际飞行过程中飞行器参

数和外部环境会经常发生变化，串级ＰＩＤ控制器经常需要重新整定参数以达到

理想控制效果。

针对飞行器参数不确定性和外部干扰敏感的问题，本文提出一种基于自抗扰控制

器的四旋翼飞行器控制系统设计方法。在为期望姿态和高度安排过渡过程的基础

古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。——苏轼

上，设计了扩张状态观测器，对内扰和外扰进行估计并实时补偿，能够很好地克

服飞行器的强耦合性、模型不确定性和外部干扰的影响：为抑制跟踪误差，设计

了非线性状态误差反馈控制律。在仿真平台上对自抗扰控制系统进行稳定控制、

姿态跟踪、高度控制、抗扰性及鲁棒性实验，并与串级ＰＩＤ控制系统进行定量

分析。仿真结果表明，自抗扰控制器不飞行器参数的不确定性具有较强的鲁棒

性，满足飞行器姿态快速机动和高稳定度的控制要求，性能指标明显优于串级Ｐ

ＩＤ控制器。关键词：四旋翼飞行器；串级ＰＩＤ控制；自抗扰控制仅能够很好

地估计并补偿系统受到的内、外部干扰，具有极强的抗扰性，而且对四旋翼

四旋翼飞行器自抗扰控制方法研究

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｃｔｉＶｅＤｉｓｔｕｒｂａｎｃｅＲｅｊｅｃｔｉｏ

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ｓｈａｐｅｄａｉｒｃｒａＲ，Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅ