兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 3619-3630.doi: 10.12382/bgxb.2023.0742
收稿日期:
2023-08-11
上线日期:
2024-02-06
通讯作者:
基金资助:
ZHOU Hao, BAO Xiaopeng*(), ZHANG Honggang
Received:
2023-08-11
Online:
2024-02-06
摘要:
为解决非线性自抗扰控制应用中无人机位姿跟踪控制响应相位滞后的问题,利用非线性函数的滤波特性与相位补偿机理完成调相补偿器设计,解决了跟踪微分器实际滤波与相位跟踪之间的矛盾,进而提出调相补偿改进后的自抗扰控制(Phase Compensation ADRC,PCADRC),将其应用于四旋翼无人机飞控作业中的姿态与轨迹跟踪。通过由空中避障圆角矩和锥形螺旋组成的复合轨迹跟踪分析PCADRC应用的飞航控制性能优势,并设计无人机轨迹跟踪抗扰实验,对自抗扰控制的调相补偿改进效果进行验证。仿真与实验结果表明,对于平面或空间、平缓或陡变不同性质的轨迹,PCADRC能在确保抑扰性能前提下提高位姿跟踪的准确性、时效性与鲁棒性,能更好满足其稳健的飞控需求。
中图分类号:
周浩, 暴小鹏, 张洪刚. 无人机自抗扰控制的调相补偿改进设计与抑扰实现[J]. 兵工学报, 2024, 45(10): 3619-3630.
ZHOU Hao, BAO Xiaopeng, ZHANG Honggang. Improved Design of Phase Modulation Compensation and Analysis of Disturbance Suppression for UAV Active Disturbance Rejection Control[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(10): 3619-3630.
参数 | 数值 |
---|---|
m/kg | 1.5 |
l/m | 0.225 |
g/(m·s-2) | 9.81 |
Ix/(kg·m2) | 0.03 |
Iy/(kg·m2) | 0.03 |
Iz/(kg·m2) | 0.03 |
表1 四旋翼无人机机体参数[9]
Table 1 Quadrotor UAV body parameters[9]
参数 | 数值 |
---|---|
m/kg | 1.5 |
l/m | 0.225 |
g/(m·s-2) | 9.81 |
Ix/(kg·m2) | 0.03 |
Iy/(kg·m2) | 0.03 |
Iz/(kg·m2) | 0.03 |
图5 不同bφ取值下补偿扰动与实际扰动的吻合程度
Fig.5 The degree of coincidence between the disturbance amount compensated by NLSEF and the actual disturbance under different compensation coefficient values
组件 | 符号 | 数值 | 组件 | 符号 | 数值 | 组件 | 符号 | 数值 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
TD | r | 10.2 | ESO | β1 | 30 | NLSEF | a1n | 0.65 |
h | 0.154 | β2 | 300 | a2n | 1.6 | |||
调相 补偿 器 | a1 | 0.43 | β3 | 1000 | k1 | 28.6 | ||
a2 | 2 | a1e | 0.5 | k2 | 22.4 | |||
λ | 3.8 | a2e | 0.25 | σ | 0.05 | |||
σ1 | 1 | σ | 0.05 | bi | 35.7 |
表2 PCADRC方法参数整定值
Table 2 Control parameter setting values of PCADRC
组件 | 符号 | 数值 | 组件 | 符号 | 数值 | 组件 | 符号 | 数值 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
TD | r | 10.2 | ESO | β1 | 30 | NLSEF | a1n | 0.65 |
h | 0.154 | β2 | 300 | a2n | 1.6 | |||
调相 补偿 器 | a1 | 0.43 | β3 | 1000 | k1 | 28.6 | ||
a2 | 2 | a1e | 0.5 | k2 | 22.4 | |||
λ | 3.8 | a2e | 0.25 | σ | 0.05 | |||
σ1 | 1 | σ | 0.05 | bi | 35.7 |
阶段 | 方法 | 最大值/m | 均值/m | 标准差/m |
---|---|---|---|---|
空中避障 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.2690 | 0.0596 | 0.0477 |
PID-NLADRC | 0.1260 | 0.0340 | 0.0186 | |
PID-PCADRC | 0.1110 | 0.0296 | 0.0131 | |
锥形螺旋 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.2560 | 0.1150 | 0.0582 |
PID-NLADRC | 0.1660 | 0.0601 | 0.0397 | |
PID-PCADRC | 0.1060 | 0.0491 | 0.0249 | |
合段 | 串级PID控制 | 0.2690 | 0.0826 | 0.0590 |
PID-NLADRC | 0.1660 | 0.0449 | 0.0320 | |
PID-PCADRC | 0.1110 | 0.0377 | 0.0212 |
表3 无扰条件下轨迹跟踪偏差的统计量
Table 3 Statistics of trajectory tracking deviations under undisturbed conditions
阶段 | 方法 | 最大值/m | 均值/m | 标准差/m |
---|---|---|---|---|
空中避障 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.2690 | 0.0596 | 0.0477 |
PID-NLADRC | 0.1260 | 0.0340 | 0.0186 | |
PID-PCADRC | 0.1110 | 0.0296 | 0.0131 | |
锥形螺旋 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.2560 | 0.1150 | 0.0582 |
PID-NLADRC | 0.1660 | 0.0601 | 0.0397 | |
PID-PCADRC | 0.1060 | 0.0491 | 0.0249 | |
合段 | 串级PID控制 | 0.2690 | 0.0826 | 0.0590 |
PID-NLADRC | 0.1660 | 0.0449 | 0.0320 | |
PID-PCADRC | 0.1110 | 0.0377 | 0.0212 |
阶段 | 控制策略 | 最大值 | 均值 | 标准差 |
---|---|---|---|---|
空中避障 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.4150 | 0.1410 | 0.1200 |
PID-ADRC | 0.1690 | 0.0515 | 0.0356 | |
PID-PCADRC | 0.1420 | 0.0440 | 0.0283 | |
锥形螺旋 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.4430 | 0.2050 | 0.1430 |
PID-ADRC | 0.2270 | 0.0945 | 0.5730 | |
PID-PCADRC | 0.1570 | 0.0790 | 0.0408 | |
合段 | 串级PID控制 | 0.4430 | 0.1680 | 0.1340 |
PID-ADRC | 0.2270 | 0.0694 | 0.0505 | |
PID-PCADRC | 0.1570 | 0.0586 | 0.0382 |
表4 风扰条件下轨迹跟踪偏差的统计量
Table 4 Statistics of trajectory tracking deviations under wind disturbance conditions
阶段 | 控制策略 | 最大值 | 均值 | 标准差 |
---|---|---|---|---|
空中避障 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.4150 | 0.1410 | 0.1200 |
PID-ADRC | 0.1690 | 0.0515 | 0.0356 | |
PID-PCADRC | 0.1420 | 0.0440 | 0.0283 | |
锥形螺旋 轨迹段 | 串级PID控制 | 0.4430 | 0.2050 | 0.1430 |
PID-ADRC | 0.2270 | 0.0945 | 0.5730 | |
PID-PCADRC | 0.1570 | 0.0790 | 0.0408 | |
合段 | 串级PID控制 | 0.4430 | 0.1680 | 0.1340 |
PID-ADRC | 0.2270 | 0.0694 | 0.0505 | |
PID-PCADRC | 0.1570 | 0.0586 | 0.0382 |
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