[发明专利]一种基于自抗扰控制的三旋翼姿态控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三旋翼飞行器姿态控制的方法，具体涉及一种基于自抗扰控制技术的针对三旋翼模型的姿态控制的方法。

背景技术

在多旋翼飞行器姿态控制中，姿态控制方法的选取与设计无疑发挥着核心作用，并且控制方法的控制效果直接影响着姿态控制的精准度。但是，由于控制算法的不精确性、冗余以及工程范畴的影响，使得多旋翼飞行器在高空飞行各姿态中无法达到理想的状态，从而对自主航行与定位产生不利的影响。因此，如何在旋翼飞行器姿态控制上设计出合适的控制方法成为旋翼飞行器姿态控制上至关重要的一步。目前，针对具有对称结构的飞行器姿态控制问题主要有以下几种控制方法：PID控制法，LQR控制法，鲁棒控制法，Backstepping控制法，自适应控制法等。但是，针对不对称结构的多旋翼飞行器控制方法技术的研究还处于起步阶段，在工程上应用广泛的仍旧是PID控制方法，PID控制方法具有参数精简，时效性好，控制效果明显等优点，但是对于非线性模型，PID控制方法也有它的局限性，对于微小的角度时效性控制以及一些随机发生的外部干扰的控制不具有特别好的效果。所以，对于非线性模型，尤其是针对旋翼飞行器的控制方法的研究在当下成为多旋翼飞行器姿态控制研究的关键技术。

1988年韩京清先生正式提出ADRC(自抗扰控制技术)思想，目前已有大量学者积极致力于将ADRC应用于实际应用中，用其来解决实际控制工程的问题，同时，关于ADRC的内在机理和理论分析也在同步地不断深入研究。ADRC是基于经典PID的控制思想发展而来的，它汲取了PID控制思想精髓，并对其不足做出了改进：采用TD提取给定信号的微分信号；采用ESO对系统不确定性(包括系统未建模部分以及内外扰动)进行估计；根据ESO估计得出的不确定性对控制量进行实时补偿；ADRC可以处理大范围以及非线性、时变、耦合等复杂结构形式的不确定性系统，控制器结构简单，并且可以保证闭环系统良好的动态性能将状态误差以非线性加权形式进行组合。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于ADRC(自抗扰控制技术)，目的是为了针对一种结构的三旋翼在原有PID控制方法的基础上引入跟踪微分器(TD)，扩张状态观测器(ESO)，非线性误差反馈率(NLSEF)建立一套完整的三旋翼姿态控制方法。该方法既能对系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测，又不影响控制器的控制品质，具有良好的鲁棒性和适应能力。

一种基于自抗扰控制技术的三旋翼姿态控制的方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一，三旋翼模型的机械结构确定，将这三旋翼模型的机械结构作为被控对象进行分析，确定被控对象的输入输出量及控制量：

式中，x、y、z表示飞行器在X,Y,Z轴上的位移偏移量，表示当前飞行器在X,Y,Z三个轴上角度的偏移量，即分别表示俯仰角，横滚角，偏移角；相应的，表示在X,Y,Z三个轴上的位移加速度，表示飞行器绕着三轴上的角加速度。u(1),u(2),u(3),u(4)则表示z轴和解耦后三个电机通过线性组合后对于三轴上姿态改变的直接输入量；I_x,I_y,I_z表示飞行器在X,Y,Z三个轴上的转动惯量；m,g分别表示飞行器的质量以及地球的重力加速度。

步骤二，通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器(TD)对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；

式中分别表示跟踪微分器经过跟踪输入信号得出的两个输出跟踪信号；a为速度因子，a越大，其跟踪微分器输出x₁就越接近原始信号，当a大到一定程度时候，微分输出x₂会出现抖动的现象。γ和h为需要调节的参数，γ影响TD的跟踪速度，γ加大则跟踪加快，但是如果γ过大则跟踪的微分信号会出现超调，h为微积分步长，步长越小跟踪越精确。

步骤三，通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器(ESO)对三旋翼飞行器飞行状态中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计；

为避免高频颤振现象的出现，式中取得函数fal(e,α,δ)在原点附近具有线性段的连续的幂次函数：