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四旋翼飞行器飞行控制

摘要：四旋翼飞行器是一种结构简单、飞行方式独特的垂直起降无人机。本文主要讨论了关

于四旋翼飞行器的飞行控制方法，由于该飞行器的系统是属于MIMO系统和现代飞行控制

技术的发展，人们对飞机性能的要求也越来越高，但是需要提出更好的控制器使其系统的稳

定性、鲁棒性、自适应性等能提高。

关键词：四旋翼飞行器，飞行控制，MIMO，鲁棒性，稳定性，自适应性

1引言

四旋翼无人机是具有4个输人力和6个自由度的欠驱动动力学旋翼式直升机[1]，该系

统是能够准静态飞行的自主飞行器，如图1.1所示。与传统的直升机相比，四旋翼直升机具

有4个固定倾斜角的螺旋桨，从而使其结构和动力学特性得到了简化。

图1.1四旋翼飞行器的结构形式

从该飞行器结构模型可以看出，推进器(1、3)、(2、4)为互相对称的两部分。通过改变

[2]

推进器转子的旋转速度，会使飞行器产生升力，引起运动，如图1.2所示。因此，通过改变

4个推进器的转动速度，我们可以控制飞行器的垂直起降运动。如果相反地控制(2、4)推进

器的旋转速度，会引起滚转运动；如果相反地控制(1、3)推进器的旋转速度，会引起俯仰运

动；要使飞行器产生偏航运动，则需要通过共同控制(1、2)和(3、4)推进器的旋转速度。

近几十年来，随着飞机性能的不断提高，飞行控制技术发生了很大的变化，出现了主动

控制技术、综合控制技术、自主飞行控制技术等先进的飞行控制技术，。现代高性能飞机对

飞行控制系统提出了更高的要求，使用古典控制理论设计先进飞机的飞行控制系统已越来越

困难。在国际上已经有很多学者研究了关于四旋翼飞行器的控制问题，而这些控制方法可以

[3]

概括为三类：

（1）频域法，如线性二次型调节器/线性二次高斯函数/回路传递恢复方法（LQR/LQG/LTR）、

定量反馈理论（QFT）方法、动态逆方法；

（2）数值最优方法，如H方法、μ综合方法等；

∞

（3）时域法，如特征结构配置（EA）方法。

但是这些方法对四旋翼飞行器的各种姿态控制、位置控制、速度控制、定点悬停控制、

协调转弯控制、自主飞行控制等控制方法设计，不能很好的提高飞行器的稳定性、自适应性

和鲁棒特性等。所以在此基础上，对各种飞行控制方法进行研究并提出更好的控制方法。

图1.2四旋翼飞行器沿各自由度的运动

2飞行控制技术研究现状

[3,4]

对于现代飞机，飞行控制律的设计多面临的一个挑战就是多变量特性：

（1）多控制面和推力矢量装置；

（2）多传感器，包括角速度率陀螺，加速度计，大气数据和惯性导航；

（3）多种扰动，包括大气扰动，武器投放，质量变化和传感器误差；

（4）纵向、侧向和方位机等多种控制任务受飞机和它的控制装备限制；

（5）与综合设计控制率所使用的数学模型相关的多种不确定性。

然而，控制系统日趋复杂，要实现多变量飞行控制系统的稳定性和鲁棒性，所以选择设

计方法就变得越来越重要了。

2.1LQG/LTR控制[5-7]

采用卡尔曼滤波器估计状态并采用LQR来设计K的方法就称为LQG方法（LQR方法

中假定噪声为白噪声，LQG方法中假定噪声为高斯分布）其中LQR方法中的状态调节性能

指标J，即

1ò¥TT

J=(xQx+uRu)dt

2

0

xu

式中，