[发明专利]一种基于积分变结构控制的四旋翼飞行器速度控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及微小型无人机技术领域，特别涉及一种基于积分变结构控制的四旋翼飞行器速度控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器是一种性能优良的 VTOL（垂直起降）飞行器。相对于单旋翼飞行器，它具有结构简单、飞行速度快等优点，可广泛用于低空巡逻、军事侦察、航空摄影、气象勘测等方面，具有重大的实用价值和广阔的发展前景。

在微小型四旋翼飞行器中，由于飞行器尺寸小，负载能力较差，不能搭载复杂的传感器器件，同时机载控制系统采用小型嵌入式系统；这些限制导致了微小型四旋翼飞行器控制难度的加大。对四旋翼飞行器进行位置控制，首先要做好飞行器的姿态控制，然后对飞行器位置控制，这种策略被许多机构采用。在实际中，根据是室外还是室内飞行，控制策略和测量方法不一样，本发明针对室外飞行情况提出；室外飞行时，姿态控制的姿态信息由惯性测量单元获得，对于位置控制的状态信息使用GPS模块和气压计模块测量得到。

专利号为CN102591350A“四旋翼无人飞行器的控制方法和系统”提出了利用各种传感器获得飞行器飞行数据，并生成四个电机转速信息给驱动单元控制飞行器的方法，解决了飞行器基本飞行问题，然后提出的方法对获得的状态信息只是进行了简单的滤波，在现有一般的测量器件得到的状态信息是不准确的；对四个旋翼转速只是简单的根据飞行状态信息、飞行指令获得；这样的控制系统不能达到精确的控制飞行器的姿态、位置；实际系统中，使用常规GPS模块测量位置信号具有较大的延时，而高端的GPS模块则非常昂贵。 

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于积分变结构控制的四旋翼飞行器速度控制方法。该方法融合了卡尔曼滤波算法和滑模变结构控制算法的优点，具有很好的抗噪特性，能够通过滤波推算得到噪声小、更加准确的状态量，也可以得到不能通过传感器直接测量得到的状态量；对系统的不确定因素具有很强的鲁棒性。针对常规GPS模块的延时，在控制系统中加入了延时环节，同时使用pade方法近似，大大降低运算复杂度；相比昂贵的高精度GPS模块，使用该方法降低了成本，具有良好的实用性。

本发明提出了一种基于积分变结构控制的四旋翼飞行器速度控制方法，包括如下步骤：

1）使用无线通信模块获取用户给定的飞行器速度控制指令；

2）上层控制模块使用GPS模块获取飞行器的速度，并通过数字滤波器降噪处理，使用状态观测器得到四旋翼飞行器速度控制器需要的状态信息；

3）将步骤1）获得的速度控制指令和步骤2）获得的状态信息传送给速度控制器，使用积分变结构控制算法得到姿态控制指令；

4）下层控制模块使用姿态测量模块获取飞行器姿态角，并通过数字滤波器降噪处理，使用卡尔曼滤波器得到姿态控制器需要的状态信息；

5）将步骤3）获得的姿态控制指令和步骤4）获得的状态信息传送给姿态控制器，并使用积分变结构控制算法得到控制值，将该值输入到飞行器执行器。

其中：

所述步骤2）具体包括：

所述上层控制模块的数字滤波器是使用均值滤波算法和butter滤波算法对GPS模块获取的飞行器的速度进行处理；

所述状态观测器使用卡尔曼滤波算法和补偿算法得到速度控制器中积分变结构控制算法需要使用到的状态信息；

所述状态观测器使用的卡尔曼滤波算法，使用速度控制器输出的姿态控制指令数据和经过数字滤波器的处理后的速度数据；

所述状态观测器使用四旋翼飞行器的速度模型，所述速度模型可以使用如下方法获取：

1）使用牛顿-欧拉方程对四旋翼飞行器平移运动分析，推导得到飞行器的理论速度模型，但该模型是理论分析模型；在实际系统中，由于GPS模块测量速度时有一秒左右的滞后，模型需加入一个延时环节；对加入的延时环节，利用pade近似将时延问题转化为非时延问题，pade近似表达式为：                                                ；最终得到考虑滞后因素的速度模型，其具体参数通过系统辨识方法得到；

2）利用matlab中ident辨识工具辨识模型参数：首先，通过手动控制四旋翼飞行器，并采集遥控指令数据和飞行器速度数据；其次，对采集得到的遥控指令和速度数据进行预处理，得到辨识需要的输入输出数据；最后，利用ident工具辨识得到速度模型的具体参数；