面向扰动不确定性的仿鸟扑翼飞行器反步姿态控制

摘要

针对仿鸟扑翼飞行器动力学的高非线性特征和内外扰动影响控制性能的问题，提出一种基于扰动观测器(disturbance observer, DOB)的反步设计姿态控制器。基于叶素理论对翅翼的气动特性进行力矩分析，推算尾翼对机体姿态的三轴控制力矩，结合牛顿-欧拉方程建立机体非线性动力学模型，以全面反映飞行器的非线性运动特性。采用反步法递推构造李雅普诺夫函数并设计控制律，针对系统扰动，设计扰动观测器进行扰动量的实时估计和补偿。最后，基于李雅普诺夫理论分析，证明了所设计控制系统的全局稳定性。数值仿真结果表明：所设计控制器的滚转、俯仰和偏航角的控制超调量分别为10.9%、7.84%和2.4%,跟踪误差幅度分别为1.32%、0.4%和0.58%,与无DOB的反步控制器相比，显著提升了系统的抗干扰能力与控制精度，在存在外界扰动时具有良好的跟踪性能与鲁棒性。

关键词

仿鸟扑翼飞行器 / 反步设计 / 扰动观测器 / 姿态控制