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倾转旋翼无人机建模与自抗扰控制

已有 151 次阅读 2025-11-24 21:50 |个人分类:文章推荐|系统分类:博客资讯

Modeling and active disturbance rejection control of a tilt-rotor UAV（倾转旋翼无人机建模与自抗扰控制）

倾转旋翼无人机作为一种融合直升机垂直起降与固定翼飞机高速巡航优势的混合构型飞行器，在消防监视、电力巡检等复杂任务中展现出巨大潜力。然而，其可倾转旋翼结构导致动力学模型呈现强非线性、多变量耦合及欠驱动特性，尤其在直升机模式与固定翼模式间的过渡阶段，控制系统设计面临严峻挑战。传统控制方法（如PID、反步控制等）往往依赖模式切换或局部线性化策略，难以在全飞行包线内实现稳定轨迹跟踪。为此，本文提出一种基于自抗扰控制（ADRC）的控制框架，为复杂倾转旋翼系统提供了一种强鲁棒性控制范式，为未来实验平台开发奠定理论基础。

Modeling and active disturbance rejection control of a tilt-rotor UAV倾转旋翼无人机建模与自抗扰控制

作者：Victor-Gabriel Sánchez-Meza1· Yair Lozano-Hernández2,3· Norma Lozada-Castillo1· Mario Ramírez-Neria4 · Alberto Luviano-Juárez1

机构：1 墨西哥国立理工学院工程与先进技术跨学科专业学院； 2 墨西哥国立理工学院伊达尔戈校区跨学科工程专业学院； 3 墨西哥国立理工学院"Alejo Peralta"跨学科工程专业学院； 4 伊比利亚美洲大学应用研究与技术研究所

引用：Sánchez-Meza, VG., Lozano-Hernández, Y., Lozada-Castillo, N.et al. Modeling and active disturbance rejection control of a tilt-rotor UAV. Control Theory Technol. 23, 563–577 (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00284-4

全文链接：https://rdcu.be/eN8eg

摘要

本文针对倾转旋翼无人机的动力学模型与轨迹跟踪问题，通过在线性切系统上应用线性自抗扰控制（ADRC）方法进行研究。在实施ADRC方案时，选取了不含Y轴分量的子系统作为控制对象——该系统具有微分平坦特性，其平坦输出通过克罗内克矩阵求解。基于缩比原型机系统参数进行的数值评估表明：该控制方案在实验场景下能以可接受的控制量实现精确轨迹跟踪，验证了所提方法的有效性。

引言

集成无人机（UAV）的重要性在有人飞行变得危险或困难的情境中尤为突出，例如消防、空中监视、航拍、海岸保护、搜救、以及电力线路和管道的检测等任务。为此，私营公司和政府机构对开发此类技术的兴趣日益增加。

无人机任务和应用的复杂性，加上无人机自身的复杂结构，给研究人员设计能达到特定目标的控制方案带来了严峻挑战。无人机大致可分为两类：旋翼式和固定翼式，它们各自具有不同的固有优缺点，例如灵活性、有效载荷和易用性。目前，需要设计出合适、实用且简单的控制策略，以成功应对诸如倾转旋翼无人机这类飞行器的复杂特性。关于倾转旋翼无人机的飞行控制，随着短舱倾角的变化，飞行器的惯性张量和动态参数会发生改变，这会影响飞机的力学模型。在倾转短舱时，必须实施控制算法以保证飞行器的稳定性，这仍然是主要挑战之一。在起飞和着陆过程中调整旋翼桨距角会引起飞行器结构和机械特性的显著变化，最终导致飞行期间控制参数的改变。在这种情况下，起飞或着陆阶段更容易发生事故。具体到倾转旋翼，其直升机模式与飞机模式之间的过渡飞行模式称为转换飞行模式。转换模式是飞行器最复杂的机动阶段，因为在此阶段，其动力学呈现高度非线性和强耦合特性，导致控制问题相较于常规飞行器异常困难。

目前，尚没有控制方案能够覆盖所有飞行阶段，或者普遍解决转换阶段的飞行控制问题。通常，模型围绕不同的短舱角度进行线性化，并为这些设计点分别设计控制方案，然后根据短舱角度切换控制律。这种方法除了在设计点之外，无法保证系统的稳定性。

因此，需要找到一种更合适、实用且简单的控制策略，能够成功处理倾转旋翼的复杂特性、扰动和未知不确定性。ADRC技术因其能够抑制复杂扰动并确保良好的动态性能，被认为是解决此类系统问题的良好候选方案；此外，它也是替代PID控制的良好选择，因为ADRC技术已在机器人应用中展现出优异性能。为此，本文描述了一种基于ADRC的 proposed 控制方案，用于倾转旋翼无人机的轨迹跟踪。参考轨迹涵盖了所有三个飞行阶段。该方案无需为每个飞行阶段更改增益和/或控制器；也就是说，我们的方案对所有三个阶段具有通用性。

基于上述原因，本研究的目标是为倾转旋翼无人机的导航贡献一种ADRC控制设计，该设计能够执行轨迹跟踪和稳定任务，且在短舱倾转期间无需调整控制参数。此外，该控制方案应能自主调整短舱倾角，无需用户预设输入来强制控制系统管理飞行模式转换。

结论

完整倾转旋翼系统的切向线性化并不是平面的；通过忽略在 Y 方向上的欠驱动动力学，所得到的子系统是平坦的，使得能够在平衡点附近开展研究。随后，由于 ADRC 能够补偿由线性化带来的未建模与被截断动力学的影响，其工作区域可以被扩大，从而允许更大范围的可行参考轨迹用于受控系统。ADRC 控制方案已证明能够在起飞和着陆过程中实现系统的控制和稳定，同时在 x 方向上生成位移。这一点相较于现有需要在姿态与位移之间切换控制阶段的研究具有明显优势，而本方案能够同时完成这两项任务。此外，该控制方案能够调整旋翼倾角，而无需用户在角度 δ_r 和 δ_l 处定义特定的过渡过程。另一方面，ADRC 已成功应用于多变量欠驱动系统（如倾转旋翼 UAV），并使用可接受的控制量，为进一步的实验验证（该平台目前已进入深入开发阶段）奠定了基础。这表明该控制范式在复杂动力系统中具有广泛的潜在应用。

所提出控制方案的主要优势在于：通过动力学解耦，使各部分能够被独立控制；同时，利用扩张状态观测器可以补偿切向线性化后丢失的动力学、未建模动力学以及外部扰动。然而，其性能仍会受到系统建模可靠性以及物理量测量精度的影响。

作者介绍

Victor G. Sánchez-Meza，于2018年获得墨西哥ESIME-IPN大学控制与自动化工程学士学位，2021年在墨西哥UPIITA-IPN大学获先进技术硕士学位，目前正在UPIITA-IPN大学攻读先进技术博士学位。主要研究方向包括动态系统控制、无人机控制、机器人系统及机电一体化。

Yair Lozano-Hernández，2013年获墨西哥国立理工学院电气与机械工程学院（ESIME-IPN）控制与自动化专业学士学位，2016年与2019年先后获墨西哥国立理工学院工程与先进技术专业学院（UPIITA-IPN）硕士与博士学位。现任墨西哥国立理工学院"Alejo Peralta"跨学科工程专业学院（UPIIAP）研究员。主要研究方向包括自动控制、无人机控制系统设计、非线性系统控制、欠驱动系统及机器学习。

Norma Lozada-Castillo，获墨西哥国立理工学院高等数理学院学士学位，及该院自动化控制系CINVESTAV中心硕士与博士学位。主要研究方向包括随机控制、非线性控制及随机系统估计。

Mario Ramírez-Neria，获墨西哥国立理工学院工程与先进技术跨学科专业学院机电工程学士学位、CINVESTAV IPN电气工程系机电自动化专业硕士学位，以及CINVESTAV IPN自动控制系控制理论与工程博士学位。现任职于伊比利亚美洲大学应用研究与技术研究所（InIAT）。在权威期刊发表学术论文28篇，参与国际学术会议28余次，合著学术专著1部。主要研究方向包括控制理论应用、自抗扰控制及机器人技术。

Alberto Luviano-Juárez，于2003年获墨西哥国立理工学院机电工程学士学位，2006年与2011年先后获墨西哥高级研究中心（CINVESTAV）自动控制硕士与博士学位。自2011年起任教于UPIITA-IPN研究生部。主要研究方向包括机器人系统、机电系统估计与控制。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目I期(2021-2024年)和II期，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

官网：https://link.springer.com/journal/11768 (即http://www.springer.com/11768)

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