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摘要：针对四旋翼飞行器状态耦合严重和易受外界干扰等问题，提出了一种自抗扰姿态控制器的设计方法。提出了一种非线性自抗扰姿态控制器的设计方法。建立四旋翼飞行器的姿态运动模型，并根据模型信息，设计自抗扰姿态控制器。自抗扰控制器通过跟踪微分器（TD）安排过渡过程，利用扩张观测器（ESO）实现状态间耦合项的跟踪和估计。基于自杭扰的四旋翼飞行器控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性，本文所设计自抗扰控制器可应用在四旋冀飞行控制系统。
关键词：四旋冀飞行器；自杭扰控制；线性状态反馈控制；PID控制；非线性状态误差反馈
前言：四旋翼飞行器是一种非共轴式蝶形飞行器，具有尺寸小、重量轻、操作简单、机动灵活等特点，能够完成垂直起降、空中悬停、低速飞行和室内飞行等固定翼飞机无法完成的任务，具有显著的民用和军用价值。四旋翼飞行器具有4个独立的输入，而运动具有6个自由度，在实际四旋翼飞行系统中会受到多种物理效应的作用以及外部环境的干扰，已开展的研究有反步法控制、滑模控制川、鲁棒控制等，研究虽都取得了一定进展。传统的PID控制器采用控制目标与实际输出之间的误差产生控制策略，但其调整时间较长，抗干扰能力较弱等缺点不能很好的满足四旋翼飞控系统动态指标的实用。
一、四旋翼飞行器动力学模型
四旋翼飞行器，具有四个对称分布的独立螺旋桨，由四个独立的电机驱动绕三个机体轴和沿三轴线进行六自由度运动。根据牛顿一欧拉法，对四旋翼飞行器进行动力学建模。
考虑到室内或室外无风条件下，四旋翼无人飞行器慢速飞行或悬停，对飞行器作以下假设：四旋翼飞行器为均匀对称的刚体，忽略旋翼中心至飞行器几何中心的垂直距离，忽略其它外界干扰。
二、自抗扰控制器设计
（1）自抗扰控制器原理
自抗扰控制器的基本组成包含扩张状态观测器和扰动估计的补偿两部分，其中实时估计扰动及补偿的功能是自抗扰控制器最本质的功能。因此只要具有这个功能，该控制器即可称为自抗扰控制。
（2）控制器设计方案
四旋翼飞行器系统三个姿态通道存在耦合关系。但在姿态角速率变化较小时，相互间的耦合影响可以忽略，因此能够按单通道控制系统分别设计。本文所采用的PID-ADRC控制器由PID控制器和扩张状态观测器（ESO）组成，对俯仰、横滚、偏航、高度四个通道独立控制。
三、基于Simulink仿真
从图4可知，系统能通过扩张状态观测器对系统的总和扰动量进行很好的跟踪并通过扩张状态变量：。实时进行补偿。系统具有良好的动态性能和稳态性能，较采用经典控制具有更快的动态响应速度及更高的稳态精度，且几乎看不出干扰信号对系统的扰动，即抗干扰性强。经典控制由于忽略非线性和祸合因素，大角度时控制效果变差，而自抗扰控制器几乎不受角度大小影响，这是由于自抗扰技术综合考虑非线性和耦合因素，对扰动估计和补偿，且通过引人虚拟控制量实现解祸控制。通过参数整定及仿真结果表明，所设计自抗扰控制器具有强鲁棒性、抗干扰性，系统具有良好的动态性能和稳态性能，对非线性耦合系统能有效地控制。
四、小型四旋翼飞行器姿态模型
针对小型四旋翼飞行器姿态非线性祸合模型，为简化控制系统设计难度，通常的做法是在比较宽松的条件下对模型进行简化而设计的，如室内或室外无风情况下直升机悬停和慢速飞行控制，小角度情况下欧拉角速度和机体角速度之间准积分关系而近似的线性化，忽略风阻等。由于在控制律的设计中忽略这些祸合和非线性因素的影响，不能适应真实复杂环境下大角度大范围灵活机动。针对这一问题，为增强其机动灵活性和环境适应能力，基于未简化的姿态非线性祸合模型，设计自抗扰姿态解祸控制器。
五、自抗扰控制技术
（1）自抗扰控制器结构
以二阶受控对象为例，自抗扰控制器结构如图1所示。自抗扰控制器利用跟踪微分器（TD）为参数输人安排过渡过程，得到光滑的输人信号，并提取其微分信号；通过扩张状态观测器估计“总和扰动”来获得对象模型中的内扰和外扰的实时作用量，并进行实时动态反馈补偿，实现系统的线性化；采用了非线性反馈控制律（NLSEF）来抑制补偿残差，提高控制性能。自抗扰控制器的核心是把系统的模型的不确定性和未知的外扰作用都认为是对系统的“总扰动”，用扩张状态观测器估计出实时作用量而给予补偿，实现对象的线性化和确定性化。
（2）安排过渡过程
事先安排过渡过程不仅能有效解决超调与快速性矛盾，而且能提高控制器的鲁棒性。安排过渡过程可由跟踪微分器或函数发生器来实现，也可以其他形式灵活实现。对离散系统采用跟踪微分器来安排过渡过程。h为积分步长；；r为速度因子；x为状态变量；x2为x的微分；V为输人变量；fhan（x，x2，r，h）为最速控制综合函数。
（3）扩张状态观测器
设受未知外扰作用的非线性不确定对象为其中，a（t）称为系统的扩张状态变量，它包含了系统模型和外扰的总和，系统扩张的状态对这个扩张的系统建立状态观测器，即扩张状态观测器。即原来的非线性控制系统变成线性的积分器串联型控制系统，这一过程称为动态补偿线性化。若将系统模型的不确定性当作系统的内扰，连同系统的外扰作为系统的“总和扰动”，利用实时估计量a（t）跟踪并给予补偿，这就是扩张状态观测器实时估计扰动并加以补偿的功能，这个补偿分量的作用实质上是一种抗扰作用。
（4）非线性状态误差反馈
非线性非光滑反馈在改造系统动态性能和抑制不确定扰动方面较线性反馈和非线性光滑反馈效果要好得多。拟采用如下形式的状态误差反馈律
六、仿真分析
以实验室现有四旋翼飞行平台为基础，在为对上文探讨的四旋翼姿态控制方法的控制性能进行较为充分比较，探讨扩张状态观测器初始状态误差对两种控制方法控制性能的影响；探讨外扰幅值大小对两种控制方法控制性能的影响。
（1）当扩张状态观测器初值与被控对象初始状态相同时，两种控制方法均具有较好的控制效果，且基于LADRC控制器的响应曲线更加平滑，过渡时间更短；
（2）当扩张状态观测器初值与被控对象初始状态不同时，基于ADRC控制器的俯仰通道响应曲线较扩张状态观测器初值与被控对象初始状态相同时无明显变化，而基于LADRC控制器的俯仰通道响应曲线超调变大，过渡时间增加，这是由于基于ADRC控制器存在非线性结构，具有“小误差，大增益；大误差，小增益”的特性，在一定程度上减弱了初始状态误差对控制器性能的影响。
小结：本文以四旋翼飞行器为研究对象，利用自抗扰控制器对系统状态间的祸合及外部干扰进行实时估计和在线补偿，实现对四旋翼姿态的高品质控制；通过3一DOFHover对自抗扰控制算法进行了实验验证，在此基础上，通过线性状态反馈实现姿态控制和扰动的动态补偿。利用频域理论，分析了闭环系统的稳定性。实验结果表明，本文所设计的自抗扰姿态控制器能够有效实现四旋翼飞行器的鲁棒跟踪控制。在SIMULINK中搭建了系统仿真图，并通过进行姿态稳定控制、干扰力矩作用下与PID控制器对比等仿真实验来验证所设计控制器的抗扰性和鲁棒性，仿真结果证明该控制器能够稳定运行，具有较好的鲁棒性与控制精度。
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