电力巡检四旋翼无人机自主控制系统的设计（专业定做硕士论文）
摘要
随着嵌入式处理器、微传感器技术和控制理论的发展和成熟，微小型电力巡检四旋翼无
人机逐步向高效、多功能化方向发展，并广泛应用于军事、民用领域。其特殊的机
械结构和动力学特性，在科学研究应用中也有着重要意义。本文以电力巡检四旋翼无人机为
研究对象，重点对电力巡检四旋翼无人机的动力学模型、非线性估计算法和非线性控制算法
展开了研究，目的是对电力巡检四旋翼无人机的部分自适应飞行控制算法进行研究。研究的
内容主要包括以下几个方面：
1、非线性动力学建模。针对电力巡检四旋翼无人机特殊的气动布局和动力结构，分析了
电力巡检四旋翼无人机特殊的基本飞行模态和调节方式。采用叶素理论详细分析了旋翼的空
气动力学特性，通过理论分析电力巡检四旋翼无人机的气动力和力矩特性，给出了6自由度
动力学模型，为进一步研究控制算法奠定了基础。
2、非线性估计算法。研究了非线性状态估计算法的基本原理，采用两种典型的
非线性估计算法EKF和UKF，分别设计了两个飞行状态估计器，通过分析比较在四
旋翼无人机飞行时两者的滤波效果，最后得出UKF在电力巡检四旋翼无人机状态估计中的有
效性，并进行了相关仿真实验。
3、非线性Backstepping控制算法。针对电力巡检四旋翼这一特殊的欠驱动非线性系统，
对其复杂的理论模型进行了必要的简化，基于该模型，给出了一个双回路、多子系统
的控制结构。设计了基于该结构的Backstepping控制器，有效避免了Backstepping控
制方法存在“计算膨胀”问题。利用Lyapunov理论，分析并证明了所设计控制系统
的稳定性。最后，根据自适应控制设计方法设计了一个电力巡检四旋翼无人机悬停时的自适
应飞控算法，仿真实验验证了该控制算法的鲁棒性。
关键词：微小型电力巡检四旋翼无人机；飞行控制；动力学模型；非线性卡尔曼滤波；自
适应控制；反步法控制
第一章绪论
1.1问题提出
随着卫星及无人机技术的迅猛发展，微机电系统技术在国防、军工、民用产品
等各方面的广泛应用，飞行器的小型化和信息化的进程不断加速使得具有广泛用途
的无人机（UnmannedAerialVehicles，UAV）成为许多国家的研究热点。
近年来，无人机的应用和研究受到有关各个方面的广泛重视。世界主要国家在
发展长航时无人机和作战无人机的同时，也着力发展小型和微型无人机，不断研制
无人机小型化,甚至微型化的技术。世界军事强国特别是美国对微小型无人机的需
求日益提高，并力求使其在作战中发挥更大的作用。随着嵌入式处理器、微传感器
技术和控制理论的发展，微机电系统技术在军事武器、民用产品等各方面的广泛应
用，世界各国都开始竞相开发研制遥控式、半自主式或自主式的单兵可携带的微小
型无人机，并逐步装备部队。微型无人机可以完成超低空侦察、干扰、监视等各种
复杂的任务。载有全天候图像传感器的微小型无人机可以近距离对目标实施侦察监
视。
在现代信息化条件下的战争中，基层指挥人员利用便携式卫星传输装置，可以
接近实时的方式收到无人机侦察到的战区级敌情的图像信息。但是，不论是卫星、
间谍飞机还是无人侦察机，都很难为前线指挥员提供小范围内的具体敌情，微小型
无人机的出现正迎合了这种需求。微小型旋翼无人机具有使用灵活、体积小、成本
低等优点，是无人机发展的主要类型之一，它可以完成超低空侦察、干扰、监视等
各种复杂的任务。载有全天候图像传感器的小型飞行器可以在50-100米的高度，甚
至更近的距离对目标实施侦察监视。
进入20世纪90年代，随着新型材料、微机电(MEMS)、微惯导(MIMU)以及飞行
控制等技术的进步，微小型无人机以其体积小、重量轻、操纵方便、机动灵活、噪
音小、隐蔽性好等卓越性能，在军事及民用领域展现出广阔应用前景，如在军事方
面,电力巡检四旋翼无人机可以装备到排一级士兵,进行低空军事侦察、监视、战场损伤评估
等；作为反辐射和微型攻击武器,摧毁敌方雷达等电子设施以及携带微型战斗部进
行攻击；用于目标搜索和通信中继；进行生化探测并标定危险区域等。在民用领域，
微小型电力巡检四旋翼可用于各类监测、监控、巡视、搜救、摄影、测绘、调查和考察。比如
环境监测、灾情监测、交通道路监控、边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测、大型
牧场巡逻、城区监视和航空摄影等。微小型无人机无论在民用还是军事上都有着广
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国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
阔的市场和应用前景，尤其在反恐等极为危险、恶劣的环境中更显现出了其应用价
值。正因为微小型无人机有如此多的优点，微小型无人机从一开始就受到人们的广
泛关注，很快成为世界先进国家竞先投入研究、开发的热点。
电力巡检四旋翼无人机由于能够垂直起降（VerticalTakeoffandLanding，VTOL），自由
悬停，所以可适应各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况。电力巡检四旋翼无人机的这些
优势决定了其广泛的应用范围，不但具有一般战场需要的各种作战功能，比如侦察
监视，为其它作战武器指示目标等，还可以参加未来战场上无处不在的对抗活动–电
子战，甚至可以作为武器投放平台直接参与战斗。
目录
图1.1瑞士联邦科技学院OS4I.............................................
图1.2瑞士联邦科技学院OS4II............................................
图1.3 ANUX-4FlyerMarkI............................................
图1.4 ANUX-4FlyerMarkII...........................................
图1.5 NUDT原型样机....................................................
图1.6 NUDT控制试验平台................................................
图1.7斯坦福STARMACI................................................
图1.8斯坦福STARMACII...............................................
图1.9 MIT电力巡检四旋翼测试平台................................................
4
4
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4
5
5
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图1.10 MIT多机跟踪实验................................................. 6
图1.11 MIT多机编队.....................................................
图1.12德国MD4-200.....................................................
图1.13美国DraganflyerX4...............................................
图1.14自主能力等级划分..................................................
6
6
6
8
图2.1电力巡检四旋翼各种运动示意图............................................... 11
图2.2垂直飞行控制示意图................................................. 12
图2.3横滚控制示意图..................................................... 12
图2.4垂直升降控制示意图................................................. 13
图2.5偏航控制示意图..................................................... 13
图2.6转换坐标系......................................................... 14
图2.7六自由度受力分析示意图............................................. 15
图2.8叶素上的力场示意图................................................. 17
图2.9直流电机与旋翼关联示意图........................................... 19
图3.1 EKF滤波基本流程.................................................. 25
图3.2 UKF滤波基本流程.................................................. 29
图3.3 EKF和UKF非线性估计比较......................................... 34
图3.4实验1的横滚角速度信号估计结果...................................... 34
图3.5实验1的俯仰角速度信号估计结果...................................... 34
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国防科学技术大学研究生院硕士学位论文
图3.6实验1的偏航角速度信号估计结果...................................... 35
图3.7实验1的z轴线速度信号估计结果....................................... 35
图3.8实验1的x轴线速度信号估计结果...................................... 35
图3.9实验1的y轴线速度信号估计结果...................................... 35
图3.10实验1的EKF和UKF比较试验结果箱线图（1为UKF，2为EKF）........ 35
图3.11实验2的横滚角速度信号估计结果.................................... 36
图3.12实验2的俯仰角速度信号估计结果.................................... 36
图3.13实验2的偏航角速度信号估计结果.................................... 36
图3.14实验2的z轴线速度信号估计结果..................................... 36
图3.15实验2的x轴线速度信号估计结果..................................... 36
图3.16实验2的y轴线速度信号估计结果..................................... 36
图3.17实验2的EKF和UKF比较试验结果箱线图（1为UKF，2为EKF）........ 37
图4.1下三角结构的系统示意图............................................. 41
图4.2系统整体控制结构................................................... 42
图4.3系统控制仿真流程图................................................. 49
图4.4悬停时横滚控制..................................................... 50
图4.5悬停时俯仰控制..................................................... 50
图4.6悬停时偏航控制..................................................... 50
图4.7悬停时高度控制..................................................... 50
图4.8悬停时水平方向x位置控制............................................ 50
图4.9悬停时水平方向y位置控制............................................ 50
图4.10偏航角跟踪响应.................................................... 51
图4.11高度跟踪响应...................................................... 51
图4.12水平x方向位置跟踪响应............................................. 51
图4.13水平y方向位置跟踪响应............................................. 51
图4.14偏航角跟踪误差.................................................... 51
图4.15高度跟踪误差...................................................... 51
图4.16水平x方向位置跟踪误差............................................. 51
图4.17水平y方向位置跟踪误差............................................. 51
图4.18悬停时横滚稳定控制................................................ 55
图4.19悬停时俯仰稳定控制................................................ 55
图4.20悬停时偏航稳定控制................................................ 56
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图4.21系统高度控制响应比较.............................................. 56
图4.22 z方向线速度控制响应比较........................................... 56
图4.23系统x位置控制响应比较............................................. 57
图4.24 x方向线速度控制响应比较.......................................... 57
图4.25系统y位置控制响应比较............................................. 57
图4.26 y方向线速度控制响应比较.......................................... 57
图4.27噪声条件下高度跟踪控制比较........................................ 57
图4.28噪声条件下x方向跟踪控制比较...................................... 58
图4.29噪声条件下y方向下跟踪控制比较.................................... 58
图4.30外部扰动下基本Backstepping与自适应Backstepping控制比较......... 59
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