华中科技大学团队发展四旋翼抗风控制技术，复合算法实现稳定飞行

近日，华中科技大学与武汉理工大学学者Le Zhou、 Chen Xu、 Fengnian Tian与Yijun Mao等在航空航天工程领域重要期刊《Journal of Aerospace Engineering》上发表了一项关于四旋翼无人机（UAV）抗风控制的重要研究。该研究系统比较了传统PID控制、滑模控制（SMC）以及基于扩张状态观测器的滑模控制（SMCESO）在时变风扰下的性能，为提升无人机在复杂户外环境中的飞行鲁棒性提供了关键理论与实验依据。

随着无人机户外任务的日益增多，低空风场扰动已成为影响其飞行性能与控制精度的主要挑战。四旋翼无人机作为一种欠驱动、强耦合的系统，对外界扰动尤为敏感。现有的抗扰控制策略主要分为“被动抗扰”与“主动抗扰”两类，前者结构简单但存在滞后与振荡问题，后者能实时估计并补偿扰动，性能更优但设计更为复杂。

该团队基于前期建立的四旋翼风扰动力学模型，对三种控制策略进行了全面的仿真与实验对比。研究涵盖了从线性到非线性、从被动到主动的不同设计思路。研究结果表明，在稳态风与突风等多种时变风场条件下，基于扩张状态观测器的滑模控制（SMCESO）综合性能最优。这种复合控制策略结合了滑模控制的强鲁棒性与扩张状态观测器的实时扰动估计能力，能够有效抑制风扰引起的姿态角误差。仿真数据显示，在7.5米/秒的突风扰动下，SMCESO的最大角度误差和平均误差均显著低于传统PID和SMC控制器。研究还深入分析了SMCESO关键参数的灵敏度，为工程调参提供了清晰指导。参数敏感性分析表明，与扩张状态观测器（ESO）相关的参数（观测器带宽ω_a和系数ε）对系统输出影响最为显著，其调优应优先于滑模控制（SMC）参数。这一发现有助于工程师更高效地实现控制器性能优化。

该团队通过搭建包含球形万向节的物理实验平台，在真实风场（由电风扇生成）中验证了控制算法。实验与仿真结果的高度一致性，不仅证实了三种算法性能排序（SMCESO > SMC > PID）的可靠性，也验证了所建立的风扰动力学模型能够准确反映真实系统的动态特性，为后续飞行控制算法的设计提供了高可信度的仿真基础。

为在仿真中真实复现实验风场，研究团队使用航华（Hanghua）CTA-04热线风速仪系统对电风扇产生的风速进行了测量。该设备以10kHz的采样频率，捕捉了风速的瞬时变化细节，为仿真提供了2.5米/秒、5米/秒和7.5米/秒三组时变风速数据。依靠这套测量系统提供的输入，仿真才能可靠地评估各控制器的抗扰性能，并最终实现与实验数据的有效对比，凸显了国产传感设备在控制算法研究与验证中的关键作用。

该研究获得国家自然科学基金的资助，其成果对提升物流配送、农业植保、灾害巡查等户外无人机的作业安全性与可靠性具有重要应用价值。未来，结合自适应或智能控制策略，有望进一步强化无人机在复合扰动环境下的自主控制能力。

[1] ZHOU L, XU C, TIAN F等. Control Algorithms for Quadrotor UAVs under Wind Disturbance[J/OL]. Journal of Aerospace Engineering, 2026, 39(2): 1–18. https://ascelibrary.org/doi/10.1061/JAEEEZ.ASENG-6505. DOI:10.1061/JAEEEZ.ASENG-6505.