基于模糊不确定观测器的四旋翼轨迹跟踪是指：通过设计模糊观测器，有效补偿四旋翼飞行器的内外部集总不确定性和未知动态，确保跟踪控制系统渐近稳定且跟踪误差一致有界。

近年来，随着科技发展及生产生活需要，四旋翼无人机吸引了人们越来越多的注意力。四旋翼无人机凭借对称结构，可以稳定地在空中悬停，并通过改变4个旋翼产生的升力在空中飞行，拥有优秀的机动性能。并且，其在救援、监测、森林防火等方面也有较为广泛应用。因此，四旋翼无人机是一种重要的垂直起降无人机系统，使得越来越多的人将研究方向转移到四旋翼飞行器的研究和控制中。复杂环境下的四旋翼同时受外部扰动、未知飞行动力学、系统未建模动态和不确定性等影响，以及欠驱动约束等，其轨迹跟踪控制研究变得极其挑战性。

图1 四旋翼飞行器结构示意图

如何实现四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制？现有方法主要包括：PID、Backstepping、滑模控制和模糊神经智能控制方法等。通常做法是将四旋翼飞行器系统分解为位置和姿态两个动态子系统，而后采用Backstepping技术进行控制器设计。然而，虚拟信号求导将引起所谓的“维数爆炸”问题。同时，各通道内的非匹配未知信息也无法得到有效补偿。

图2 四旋翼飞行器控制系统

针对具有未知外界扰动和系统不确定性的四旋翼飞行器，本文提出了一种基于模糊不确定观测器 (Fuzzy uncertainty observer, FUO)的自适应动态面轨迹跟踪控制方法。通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、姿态角和角速率三个动态子系统，使得各子系统虚拟控制器能够充分考虑欠驱动约束；采用一阶低通滤波器重构虚拟控制信号及其一阶导数，实现四旋翼跟踪控制设计的迭代解耦；设计了一种模糊不确定观测器，用以估计和补偿未知外界扰动与系统不确定性，从而确保闭环系统的稳定性和跟踪误差与其他系统信号的一致有界性。

引用格式：王宁, 王永. 基于模糊不确定观测器的四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制. 自动化学报, 2018, 44(4): 685-695. 

链接：http://html.rhhz.net/ZDHXBZWB/html/2018-4-685.htm

PDF：http://www.aas.net.cn/CN/article/downloadArticleFile.do?attachType=PDF&id=19260

作者简介：

王 宁, 大连海事大学船舶电气工程学院教授. 主要研究方向为自主系统与控制, 智能建模与控制, 自主制导与控制. 本文通信作者. E-mail: n.wang.dmu.cn@gmail.com

王 永, 大连海事大学船舶电气工程学院硕士研究生. 主要研究方向为自主飞行器控制. E-mail: 15241192269@163.com