[发明专利]不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法和装置

说明书

本发明提供了一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法和装置；其中，该方法包括：采集无人机的动力系统输出的姿态角，计算姿态角与期望参考量之间的姿态角误差；根据姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值；姿态角包括滚动角、俯仰角或偏航角；根据估计值，更新标称控制信号；根据姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号；根据更新后的标称控制信号和鲁棒补偿控制信号，更新最终控制信号；根据更新后的最终控制信号，控制无人机执行姿态角对应的姿态。本发明可以抑制无人机飞行过程中非线性、耦合和外部时变干扰等多种不确定性的影响，提高无人机姿态控制的精度及鲁棒性。

技术领域

本发明涉及自动控制领域技术领域，尤其是涉及一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法和装置。

背景技术

目前，无人飞行机，尤其是四旋翼无人机，广泛地应用于侦察监视、交通监管和航空拍摄等领域，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。现有的无人飞行机具备完成各式各样任务的能力，特别是在城市环境中，无人机与固定翼飞机相比，具有悬停和垂直起降的优势。尤其是四旋翼无人机，因其不需要尾翼或复杂的机械控制联动装置来改变空气动力和力矩，在城市环境中越来越多被运用。

为了使无人机准确可靠地完成各种任务，需要对其飞行姿态进行跟踪控制；现有的姿态控制方式中，可以通过基于四元数的反馈姿态控制器、开关模型预测控制器、指令滤波控制器等对无人机的姿态进行控制，通过滑模观测器等对无人机在飞行过程中可能出现的不确定性因素进行估计；但是，这种控制方式难以有效抑制这些不确定性因素，导致对无人机姿态控制的精度和鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法、装置和四旋翼无人机，以抑制无人机飞行过程中非线性、耦合和外部时变干扰等多种不确定性的影响，提高无人机姿态控制的精度及鲁棒性。

第一方面，本发明实施例提供了一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法，应用于四旋翼无人机的处理器，此方法包括以下步骤：采集无人机的动力系统输出的姿态角，计算姿态角与期望参考量之间的姿态角误差；根据姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值；姿态角包括滚动角、俯仰角或偏航角；根据估计值，更新标称控制信号；根据姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号；根据更新后的标称控制信号和鲁棒补偿控制信号，更新最终控制信号；根据更新后的最终控制信号，控制无人机执行姿态角对应的姿态。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，根据根据姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值的步骤，包括：通过下述公式，计算姿态角速度误差的估计值

其中，l_i(i＝φ,θ,ψ)为预设的正参数；φ为滚动角；θ为俯仰角；ψ为偏航角；为a_i的标称参数；a_i＝a_i1l_mck_ω(i＝φ)；a_i＝a_i1l_mck_ω(i＝θ)；a_i＝a_i1k_fmk_ω(i＝ψ)；a_i1为正参数；l_mc为四旋翼无人机的质心和电机之间的距离，k_fm为力-力矩比例因子，为正常数；k_ω为正常数；为标称控制信号；所述姿态角误差e_i1＝i-r_i；r_i为姿态角的期望的参考量；计算估计值的误差其中，

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式。根据估计值，更新标称控制信号的步骤，包括：通过下述公式，计算标称控制信号