[发明专利]基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法、装置及系统

权利要求书

1.一种基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法，其特征在于，包括：

根据姿态信息和四旋翼飞行器旋转运动的动力学模型建立误差模型；

构建标称控制器，根据所述标称控制器对所述误差模型进行跟踪，获取标称闭环控制系统；

构建鲁棒补偿器，根据所述鲁棒补偿器对所述误差模型进行不确定性的抑制，获取鲁棒姿态控制信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态信息包括角速度、转动惯量、外部转矩和旋转矩阵，所述根据姿态信息和四旋翼飞行器旋转运动的动力学模型建立误差模型，包括：

所述动力学模型根据下式获得：

其中，ω_b(t)为在飞行器本体坐标系中的所述角速度，J为机体的所述转动惯量，τ_b(t)为作用在本体坐标系上的所述外部转矩，R(t)为所述旋转矩阵。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据姿态信息和四旋翼飞行器旋转运动的动力学模型建立误差模型，还包括：

所述误差模型根据下式获得：

其中，e(t)为跟踪误差，A和B均为常数矩阵，u(t)为控制输入，Δ(t)为输入等效干扰。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建标称控制器，根据所述标称控制器对所述误差模型进行跟踪，获取标称闭环控制系统，包括：

所述标称控制器根据下式获得：

u^N(t)＝-Ke(t)＝-[K_q K_ω]e(t)

其中，u^N(t)为所述标称控制器的标称控制输入，K为线性增益矩阵，K_q、K_ω均为标称控制器参数，e(t)为所述误差模型中的跟踪误差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建鲁棒补偿器，根据所述鲁棒补偿器对所述误差模型进行不确定性的抑制，获取鲁棒姿态控制信息，包括：

所述所述鲁棒补偿器根据下式获得：

u^R(s)＝-F(s)Δ(s)，

其中，u^R(s)为拉普拉斯变换后所述鲁棒补偿器的鲁棒补偿输入，F(s)为所述鲁棒补偿器的增益，Δ(s)为拉普拉斯变换后所述误差模型中的输入等效干扰。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

按照预设时间采集四旋翼飞行器旋转运动的所述姿态信息。

7.一种四旋翼飞行器鲁棒姿态控制装置，其特征在于，包括飞行控制计算机；

所述飞行控制计算机通过板载数字信号处理DSP实现如权利要求1～6所述的基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括惯性测量系统；

所述惯性测量系统，用于按照预设时间采集四旋翼飞行器旋转运动的姿态信息，并将所述姿态信息传输至所述飞行控制计算机。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述惯性测量系统包括分别与所述飞行控制计算机相连的陀螺仪、数字磁力仪和数字加速度计。

10.一种基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制系统，其特征在于，包括：

误差模型建立单元，用于根据姿态信息和四旋翼飞行器旋转运动的动力学模型建立误差模型；

第一构建单元，用于构建标称控制器，根据所述标称控制器对所述误差模型进行跟踪，获取标称闭环控制系统；

第二构建单元，用于构建鲁棒补偿器，根据所述鲁棒补偿器对所述误差模型进行不确定性的抑制，获取鲁棒姿态控制信息。