3  六旋翼无人机控制律设计 11

3.1  PID控制律设计 11

3.1.1  总体控制结构 11

3.1.2  姿态回路控制律 12

3.1.3  位置回路控制律 12

3.2  飞行器控制分配 13

3.2.1  位置回路的控制分配 13

3.2.2  姿态回路的控制分配 14

3.3  Matlab/Simulink建模 14

3.3.1  位置控制机构 14

3.3.2  姿态控制机构 15

4  Matlab/Simulink仿真 16

4.1  模型参数选取 17

4.2  PID参数选定 17

4.3  姿态回路仿真 22

4.4  位置回路仿真 26

4.4.1  水平方向矩形飞行 26

4.4.2 盘旋上升飞行 27

结  论 29

参考文献 30

1  绪论

本章具体介绍了无人机的定义、分类以及多旋翼飞行器的现状，说明了本文的主要研究内容。

1.1  工程背景及意义

无人机是指机体中无飞行员驾驶，利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机[1]。从技术角度定义可以分为无人固定翼机、无人垂直起降机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等[1]。其中较为典型的是多旋翼无人机，与传统的固定翼飞机以及载人直升机相比，结构更加简单，成本低，飞行的稳定性更好，同时具有可以垂直起降、侧飞倒飞等特点[2]。近年来，多旋翼无人飞行器由于其优越性，出现了较多针对特定行业应用的机型架构，但是由于多旋翼飞行器非线性高耦合的特点，性能可靠的多旋翼飞行器的控制系统却不多见[3-5]。随着多旋翼无人飞行器应用范围的增加，多旋翼飞行器的飞行控制系统已经成为近年来国内外无人机研究的热点[1-3]。

目前应用最为广泛的多旋翼无人飞行器是四旋翼无人机[2]。但是四旋翼飞行器的执行机构的可靠性不可预测，同时缺少冗余的执行机构[2-5]。在实际飞行中，当四旋翼飞行器有多于等于一个执行机构出现故障时，整个飞行器将会无法保持稳定，极易出现事故，造成人员与经济损失[2-5]。而六旋翼飞行器具有多于一个的冗余机构，可以看作具备容错控制的最小系统[1-5]。

1.2  国内外研究现状

六旋翼飞行器强耦合、非线性、干扰敏感的特性，为飞行控制系统的设计增加了一定的难度[3]。近年来，国内外针对四旋翼的控制提出了许多新的控制方法，如反步法、滑模控制法、嵌套饱和控制、神经网络控制等等[1-5]。

反步法又被称作为反演设计法[4]，最早由Kokotoivc的团队提出，是一种自适应控制器设计方法。其首先将系统划分为若干个仔细用，从最远的子系统为整个系统递归地设计Lyapunov函数，确定整个系统的虚拟控制律和自适应律[4]，再推广到整个系统的所有子系统，得到真实的控制输出量，在许多非线性控制领域中都取得了一定的成果，但该方法对于系统的模型具有一定的依赖性[3-5]。