摘要
旋翼型植保无人机因其机动灵活、作业人员安全性高、作业效率高和地形适应性好等特点，在农作物病虫害防治方面具有广泛的应用价值与前景。但是，旋翼型植保无人机因其自身参数不确定性、非线性和作业易受干扰性等特点，使其控制系统的高稳定性、鲁棒性和抗干扰性成为研究的热点和难点。本文针对旋翼型植保无人机自主飞行控制鲁棒性进行相关研究，主要内容如下： (1)四旋翼无人机姿态控制鲁棒性研究。为了增强四旋翼无人机在实际飞行中控制的鲁棒性和抗扰性，设计对自身参数时变性和外部扰动具有实时反馈补偿的姿态ADRC控制算法。利用Matlab/Simulink工具箱建立算法仿真模型，设计姿态稳定、高度跟踪和控制鲁棒性数字仿真实验，与串级控制进行仿真实验对比分析。结果表明：ADRC控制各通道在1.5s内收敛稳定，满足四旋翼无人机稳定飞行的控制要求；高度跟踪实验的动态跟踪效果稳定且无超调，比串级控制优越；同时，在控制鲁棒性实验中，ADRC算法对自身参数动态变化具有较强的鲁棒性。 (2)四旋翼植保无人机姿态控制鲁棒性研究。首先分析四旋翼植保无人机的结构特点，详细分析植保无人机充液药箱模型，在此基础上，构建植保无人机的非线性动力学时变模型，分析四旋翼植保无人机与四旋翼无人机的不同点以及控制难点。针对所构建模型设计串级PID控制算法和ADRC算法，利用Matlab/Simulink构建算法仿真模型，设计数字仿真实验并进行对比分析。结果表明：两种控制算法都能实现植保无人机飞行姿态的稳定无超调控制，且串级控制算法的收敛速度比ADRC算法快，但ADRC控制算法对四旋翼植保无人机的大范围参数变化具有比串级控制具有更好的动态跟踪性和鲁棒性。 (3)四旋翼植保无人机自主飞行轨迹跟踪控制鲁棒性研究。针对植保无人机作业飞行时常见的螺旋轨迹和牛耕轨迹两种轨迹进行分析，详细比较两者飞行作业喷洒所需轨迹总长度、变向频率、覆盖遗漏率和重复率。针对四旋翼植保无人机的轨迹控制，设计串级ADRC控制算法，针对作业高效的牛耕轨迹进行轨迹跟踪控制实验，并与串级PID算法进行仿真实验对比分析。结果表明：在四旋翼植保无人机参数不变时，两种控制算法都能实现四旋翼植保无人机作业轨迹的跟踪控制，且串级PID的跟踪速度比串级ADRC要快，但控制稳定性比串级ADRC差；在四旋翼植保无人机参数变化时，串级ADRC控制算法的稳定性更好，且具有更强的鲁棒性。 本文针对四旋翼植保无人机的姿态和轨迹控制鲁棒性进行了相关研究，验证了串级ADRC控制算法的有效性和鲁棒性，为四旋翼植保无人机自主飞行的控制鲁棒性研究提供一定的借鉴意义。
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