四旋翼飛行器 LQR 控制器的設計與實現

Abstract

本研究採用了線性二次調節器（LQR）控制器來實現對四旋翼飛行器飛行姿態的精確控制。隨著科技的進步，四旋翼飛行器在設計與控制技術上都有了顯著的演進，並且歷經多種控制策略的嘗試與優化，以有效管理其複雜的飛行姿態與穩定性。LQR作為一種經典的最優控制方法，具備良好的狀態反饋能力和性能表現，在本研究中被用來實現對飛行器垂直高度的穩定控制。本控制系統結合了LQR控制演算法與多種感測器的即時數據輸入，能夠有效掌握四旋翼在飛行過程中的姿態變化與高度狀態，並根據目標高度進行精準調整。透過該方法，四旋翼得以順利抵達並維持在預定的飛行高度，顯示出此控制策略在實際應用中的穩定性與可靠性。此外，論文中也提供實驗數據與測試結果，進一步驗證了此控制系統的有效性與可行性。這些實驗包括在不同初始條件與外部干擾下的飛行測試，結果證實LQR控制器能夠快速響應並有效抑制震盪與偏移，使四旋翼系統具備良好的動態性能與控制精度，展現出此方法在無人機控制領域中的實用潛力。This study employs a Linear Quadratic Regulator (LQR) to achieve precise attitude control of a quadrotor UAV. With ongoing advancements in design and control strategies, LQR, a classical optimal control strategy renowned for its robust state feedback performance, has been implemented to achieve vertical position stabilization.The proposed system integrates LQR control with real-time sensor data to monitor and adjust the quadrotor’s attitude and altitude. This enables accurate tracking of target height and demonstrates reliable in-flight stability under practical conditions.Experimental results validate the effectiveness of the proposed LQR-based system under varying initial conditions and external disturbances. The controller demonstrated fast response, disturbance rejection, and high precision, highlighting its practical potential for UAV applications.