四旋翼无人机的偏航抗饱和与多模式PID控制

摘要：

四旋翼无人机偏航运动能力比俯仰、滚转运动能力弱，因此在偏航运动上更容易出现执行器饱和．特别在外界干扰下，偏航常常出现饱和现象，对此从实际工程出发提出了一种多模式PID（MMPID）控制器，抑制偏航饱和，并保证在外界干扰情况下具有较好的偏航控制性能．首先，根据四旋翼无人机的动力学模型，设计了基于MMPID的偏航控制器． MMPID算法具有多模式特性，在满足一定条件时采取退饱和控制策略．其次，利用李亚普诺夫稳定理论证明了基于MMPID的偏航控制系统的稳定性．最后，通过四旋翼无人机偏航仿真实验比较了MMPID与变结构PID算法的抗饱和性能与偏航控制性能，结果表明MMPID算法具有明显的控制性能优越性．并且，通过四旋翼原型机实验验证了MMPID偏航控制器的有效性和鲁棒性．实验结果表明：在室内无干扰情况下，基于MMPID的偏航系统基本无执行器饱和现象，最终偏航角误差收敛到±0.05 rad；在室内加入干扰情况下，执行器退出饱和时间约10 s，偏航角误差收敛到±0.08 rad；在室外，偏航退饱和时间约5 s，偏航误差收敛到±0.13 rad．MMPID控制器有效地抑制了四旋翼无人机偏航运动上的执行器饱和，并可实现准确的偏航姿态控制和强鲁棒性．

关键词：四旋翼无人机、偏航运动、执行器饱和、抗饱和、多模式PID(MMPID)

分类号：TP242(自动化技术及设备)

资助基金：国家自然科学基金项目11372309，61304017；吉林省科技发展计划重点项目20150204074GX；省院合作科技专项资金项目2014SYHZ0004．

在线出版日期：2015-08-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共9页

页码：415-423