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四旋翼无人机设计与滑模控制仿真

作者：尤元李闻先

来源：《现代电子技术》2015年第15期

摘要：随着近些年自然灾害的频繁发生，四旋翼飞行器搜救设备得到越来越广泛的应

用。首先介绍四旋翼飞行系统的总体设计架构，然后针对地面坐标系与集体坐标系建立了四轴

飞行器的动态模型，同时为得到良好的响应速度、控制稳定度与鲁棒性，应用滑模变结构控制

理论设计了飞行器的控制算法。最后通过仿真数据对相同条件下的PID控制器与该控制器对

比，证明该控制器的强鲁棒性和控制稳定性满足项目任务需求。

关键词：四旋翼飞行器；滑模变结构控制；PID控制；建模仿真

中图分类号：TN964⁃34；V249.1文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2015）

15⁃0080⁃04

DesignofquadrotorUAVanditsslidingmodecontrolsimulation

YOUYuan1，LIWenxian2

（1.ChangchunUniversityofTechnology，Changchun130012，China；

2.ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyof

Sciences，Changchun130033，China）

Abstract：Withthefrequentoccurrenceofnaturaldisastersinrecentyears，quadrotorUAV

searchandrescueequipmentshavebeenappliedwidely.Theoveralldesignframeworkofquadrotor

aircraftsystemisintroduced.Thedynamicmodelofquadrotoraircraftwasestablishedforground

coordinatesystemandglobalcoordinatesystem.Toobtainfastresponsespeed，andcontrolstability

androbustness，

dataarecomparedbetweenPIDcontrollerandtheproposedcontroller，itdemonstratesthatthe

strongrobustnessandcontrolstabilityofslidingmodevariablecontrollercanmeetproject′smission

requirements.

Keywords：quadrotoraircraft；slidingmodevariablecontrol；PIDcontrol；modeling

simulation

引0言

四旋翼飞行器是有四个旋翼呈刚性十字结构的一种飞行装置，它通过控制四个旋翼的速度

来实现垂直起降、自主悬停以及姿态控制等动作。因其具有适应复杂环境的能力、可低速飞

行、机体结构简单、制造成本低等优点，可广泛应用于军事侦察、自然灾害搜救遥感、高空拍

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摄等军用与民用领域。随着新型材料的应用、微处理器技术的进步、传感器工艺的提高，电池

续航能力的提升以及动力装置的改善，四旋翼无人机成了近几年来国内外研究的焦点[1]。

四旋翼飞行器是一个非线性、强耦合、欠驱动、时变的被控对象，其独特的结构布局和飞

行控制的干扰敏感特性使其控制系统的设计变得较为复杂[2]。近些年国内外学者对该飞行器

的控制模型做了大量的研究工作，文献[3]将控制系统分为几个独立的通道，分别设计相应的

PID控制器进行姿态与悬停控制，文献[4]采用反步法，通过构造合适的Lyapunov函数求出控

制律进行姿态与位置控制，得到了良好的跟踪性与快速的调整时间。

本文采用滑模变结构控制理论推导了四旋翼无人机动力学模型的控制律，通过

Matlab/S