[发明专利]多变量干扰补偿四旋翼无人机轨迹与姿态协同控制方法

说明书

本发明涉及无人飞行器控制技术领域，为提出一种基于多变量干扰补偿的有限时间轨迹姿态协同控制算法，突破传统四旋翼无人机控制方法在控制精度、响应速度及抗干扰方面的不足，解决四旋翼无人机在综合干扰影响下轨迹与姿态的高精度快速稳定跟踪控制问题，达到提高四旋翼无人机控制性能，增强系统安全性和可靠性的目的。多变量干扰补偿四旋翼无人机轨迹与姿态协同控制方法，具体步骤如下：第一部分，轨迹控制器‑干扰补偿器设计；第二部分，姿态解算；第三部分，姿态控制器‑干扰补偿器设计。本发明主要应用于无人飞行器控制场合。

技术领域

本发明涉及无人飞行器控制技术领域，尤其涉及一种四旋翼无人机的高精度快速轨迹与姿态协同控制领域。具体讲,涉及多变量干扰补偿四旋翼无人机轨迹与姿态协同控制方法。

背景技术

四旋翼无人机在机械结构上具有轴对称性，四个旋翼均匀的分布在十字架结构的四个端点上，该类型无人机的动力由各个旋翼产生的升力提供，仅需改变四个旋翼的旋转速度，即可实现无人机的翻滚、俯仰、偏航等动作。四旋翼无人机具有体积小、重量轻、隐蔽性好、适合多平台、多空间使用，可以在地面、军舰上灵活垂直起降等优点。其简单的结构、超强的机动性、独特的飞行方式，在军事和民事领域展现出巨大的应用价值，已经被广泛应用于军事侦察、险区探测、目标捕获、战场管理、火力支援、电子干扰及通信中继等领域。

然而，四旋翼无人机是一个集多变量、不确定、非线性、快时变、强耦合、静不稳定及欠驱动为一体的复杂被控对象，其飞行控制技术一直是航空领域研究的重点和难点。目前，基于经典理论的传统控制方法，如PID控制算法，因其结构简单，易于实现，不依赖于系统数学模型，在飞行控制领域被广泛使用。然而，基于传统理论的控制方法在进行四旋翼无人机控制器设计时，存在的不足主要体现在以下几个方面：(1)基于传统控制策略进行飞控系统设计时，通常将多输入多输出的无人机模型，简化为多个单输入单输出的模型，然后针对每个通道进行控制器设计，这种人为强行解耦的设计策略在无人机进行快速机动飞行时，容易导致失稳；(2)基于Lyapunov理论设计的传统飞行控制系统，只能实现对给定参考指令的渐近稳定跟踪控制，限制了无人机的极限飞行能力，现有理论表明基于有限时间的飞行控制系统，在确保系统稳定的同时，能够全面提升系统的跟踪精度、收敛速度和鲁棒性；(3)基于传统控制方法设计的控制器，其参数调整严重依赖于系统模型不确定和外界干扰，在实际飞行控制时，由于未知干扰的存在，飞行控制性能往往难以获得期望的控制效果，基于该策略设计的控制器参数调整费时费力。

针对上述局限，本发明在多变量的控制框架内，首次提出了针对四旋翼无人机的多变量干扰补偿有限时间轨迹姿态协同控制方法，基于该方法设计的飞控系统，能对系统模型参数不确定、未建模动态及外界风干扰等综合干扰进行在线估计与补偿，显著提高四旋翼无人机应对复杂飞行环境的能力；此外，基于该方法设计的控制器能够实现四旋翼无人机轨迹与姿态的有限时间协同，确保飞行控制系统具有更高的控制精度、更快的收敛速度和更强的鲁棒性，有效增强系统的控制性能；更重要的是基于本发明给出的控制器参数选取仅取决于系统的标称模型，与系统模型不确定和外界综合干扰无关，大大简化了控制系统的参数调试。

本发明涉及一种四旋翼无人机飞行控制技术领域。具体来说，首先提出了不同于以往传统控制方式的基于多变量干扰补偿的四旋翼无人机轨迹姿态协同控制算法，随后通过Simulink仿真与传统PID方法进行了对比分析，验证了本发明提出算法的有效性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种应用于四旋翼无人机的高精度快速轨迹姿态协同控制算法。具体而言，考虑无人机复杂飞行环境下安全稳定可靠飞行的迫切需求，在综合考虑无人机模型参数不确定、未建模动态及外界干扰影响的情形下，提出一种基于多变量干扰补偿的有限时间轨迹姿态协同控制算法，突破传统四旋翼无人机控制方法在控制精度、响应速度及抗干扰方面的不足，解决四旋翼无人机在综合干扰影响下轨迹与姿态的高精度快速稳定跟踪控制问题，达到提高四旋翼无人机控制性能，增强系统安全性和可靠性的目的。本发明采用的技术方案是，多变量干扰补偿四旋翼无人机轨迹与姿态协同控制方法，具体步骤如下：