系留四旋翼無人飛行器滑模控制算法研究

李中健，楊宸驊，朱亞龍

（西北工業大學自動化學院，陜西西安710129）

近幾年，由于四旋翼無人飛行器結構簡單、操作容易、成本低廉、便于搭載各種相關設備，它已經逐漸成為控制領域研究的一大熱點。目前市面上常見的四旋翼無人飛行器已經被廣泛用于航拍[1]、低空地貌測繪、大氣質量監測[2]、森林火災預警、交通情況空中監管等。但目前常用的鋰電池供電形式限制了四旋翼無人飛行器的結構大小，并且導致其有效載荷較小，只能搭載一些輕質設備，無法長時間連續工作，這極大的限制了四旋翼無人飛行器的發展潛力[3]。系留四旋翼無人飛行器通過系留纜繩為飛行器及其搭載的儀器提供電能，這樣的供電形式就不再限制其電機和螺旋槳的選擇以及結構大小，完全可以依據載重需求來進行系留四旋翼無人飛行器的設計，并且具有結構簡單、機動性好、成本低廉、方便搭載設備等諸多優點。

文中采用“質量集中-輕質鋼桿”模型進行系留纜繩建模，并利用牛頓歐拉方程[4]對四旋翼飛行器進行受力分析，在此基礎上將系留繩模型和四旋翼飛行器模型有效結合起來，建立了系留四旋翼無人飛行器的數學模型，并且利用滑模控制算法實現對系留四旋翼的較好控制[5]。

1 系留四旋翼結構特點與飛行原理

系留四旋翼無人飛行器主要由四旋翼飛行器、系留纜繩以及地面裝置3部分組成，如圖1所示。四旋翼無人飛行器具有相鄰轉向相反，相對轉向相同的四個電機，并依靠4個電機轉動的速差姿態變化。……