Entwurf eines Flugreglers für ein vierrotoriges unbemanntes Fluggerät (Control Systems Design for a Quadrotor UAV)

Zusammenfassung Der Beitrag beschreibt den Entwurf eines nichtlinearen Flugreglers für ein vierrotoriges unbemanntes Fluggerät,einensogenanntenQuadrocopter.Dievorgeschlagene Regelung basiert auf einer Kaskadenstruktur mit einer unterlagerten Regelschleife für die Orientierung und einer überlagerten RegelschleifefürdieGeschwindigkeit. InderinnerenRegelschleife wird das Prinzip der Linearisierung durch Zustandsrückkopplung verwendet, sodass das resultierende lineare und entkoppelte Systemmit einfachen linearen Reglern bei ausreichender Schnelligkeit und Dämpfung geregelt werden kann. In der äußeren Schleife zur Regelung der Geschwindigkeit wird eine Inversion zur Kompensation einer statischen Nichtlinearität durchgeführt, womit das verbleibende lineare System einfach regelbar wird. DerwesentlicheVorteil des gesamtenAnsatzes besteht in der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit bei hoher Regelgüte und gleichzeitiger Berücksichtigung des nichtlinearen dynamischen Flugverhaltens. Summary This paper describes the design of a nonlinear control system for a small four-rotor aerial robot, a so called quadrotor UAV (unmanned aerial vehicle). Stabilizing control of these vehicles is a difficult task because of the nonlinear dynamic behavior. The proposed control system is based on a decomposition into an inner attitude and an outer velocity control loop. For the attitude control, feedback linearization is applied that transforms the system into a decoupled linear system in state variable format. This resulting system is controlled via a conventional linear controller, leading to a sufficiently fast and damped closed loop dynamics. The outer control loop applies a nonlinear inversion to compensate a static nonlinearity and a linear control system to control the remaining linear dynamics. The advantage of the derived control system besides the excellent performance is the simple structure and the easy implementation.