[发明专利]一种基于最小方差调节器的四旋翼无人机精确位置控制方法

说明书

本发明公开了一种基于最小方差调节器的四旋翼无人机精确位置控制方法，该控制方法由两部分构成：四旋翼无人机位置控制模型辨识与位置控制最小方差调节器设计，位置控制模型辨识主要通过增广最小二乘法得到包含噪声描述的无人机位置控制ARMA模型；最小方差调节器设计主要是针对前面得到的ARMA模型，通过对噪声的估计与补偿，最小化噪声对控制精度的影响。本发明可以有效提高四旋翼无人机悬停时的位置控制精度，该方法可有效降低悬停时系统噪声对位置控制精度的影响，从而实现高精度位置控制。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人机精确位置控制方法，具体为一种基于最小 方差调节器的四旋翼无人机精确位置控制方法，属于无人机飞行控制应用技 术领域。

背景技术

近些年来，随着新型材料、微机电、电力电子器件、微处理器技术的发 展，四旋翼飞行器得到了迅速发展。其适合在近地面、复杂环境中执行监视、 侦察等任务的特点，使它具有广阔的军事和民用前景；而其独特的飞行控制 方式也吸引了大批的学者对其进行研究。

在四旋翼控制领域，宾夕法尼亚大学的GRASP实验室处于世界领先地位。 他们的四旋翼已经可以在室内完成多种复杂的机动，例如穿过一个狭窄倾斜 的窗户、在空中翻转720度、倒挂在一个倾斜的墙面等等。另外他们在编队 飞行方面的研究也颇有建树，目前已经可以协调多架飞机绕“8”字飞行，还 可以协调多架飞机穿过狭窄通道。国内有不少高校都对四旋翼控制进行了研 究，但总体来说研究水平比较落后，大多数还停留在理论和仿真阶段。虽然 研究者也提出了各种各样的算法，例如PID、H∞、Backstepping、滑模控制 等，但很少将算法加入实际系统进行验证。另外，综合国内外情况来看，当 前四旋翼控制领域研究的重点主要集中在四旋翼的大机动、鲁棒和编队控制 中，很少有关于提高四旋翼悬停时控制精度的研究。然而高精度的悬停位置 控制又是航拍、货物投送等实际应用所必须的。悬停时系统噪声对位置控制 精度的影响大，因此，针对上述问题提出一种基于最小方差调节器的四旋翼 无人机精确位置控制方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于最小方差调节器 的四旋翼无人机精确位置控制方法，可有效降低悬停时系统噪声对位置控制 精度的影响，从而实现高精度位置控制。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于最小方差调节器的 四旋翼无人机精确位置控制方法，以小型四旋翼无人机为被控对象，通过系 统辨识得到其位置控制ARMA模型，进而对其设计最小方差控制器，实现四旋 翼无人机的精确悬停位置控制；通过增广最小二乘法得到无人机位置控制的 ARMA模型，进而针对其设计最小方差控制器，控制方法包括以下步骤：

步骤A、位置控制PD控制器设计，其姿态角通常使用Z-Y-X欧拉角表示， 分别命名为偏航角、俯仰角和滚转角，四旋翼Z方向的位置控制使用四个螺 旋桨升力和的变化作为输入量，X方向的位置使用俯仰角作为输入量，Y方向 的位置使用滚转角作为输入量；由于小角度下姿态角与水平加速度近似成正 比，因此将俯仰角至X方向位置的传递函数近似为二阶积分环节；电机升力 正比与垂直加速度，使用二阶积分环节表示升力至高度的传递函数；开环情 况下三个方向的位置控制传递函数都是不稳定的；而最小方差调节器要求被控对象本身稳定；故首先需要设计位置闭环使得位置控制为稳定系统，采用 基于PD的方法对三个轴向位置分别设计控制器；

俯仰角至X轴位置的传递函数为：

其中g为重力加速度，θ为俯仰角，x为X方向的位置；

选取PD控制器为：

其中θ_c为俯仰角指令，x_c为位置指令，K_P和K_D分别为控制器比例参数和 微分参数；

另外，俯仰角闭环后可近似为一节环节，即：