[发明专利]基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法

权利要求书

1.基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、建立仅存在干扰情况的四旋翼无人机的动力学模型：其中，φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，l为各旋翼到无人机质心的距离；d_i(i＝1,2,3)为未知外部扰动,且d_i≤||d||；K_i(i＝1,2,3)为阻力系数；I_x，I_y，I_z分别为飞行器机体的三轴转动惯量；u₁，u₂，u₃分别为滚转角、俯仰角和偏航角的控制输入量，并分别将所述滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ对应的动力学模型转化成二阶系统模型；

S2、分别基于所述滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ转换形成的所述二阶系统模型构建对应的所述滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ的比例积分观测器；

S3、根据所述比例积分观测器设计对应所述滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ的滑模姿态控制器，结合所述滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ述对应设计的滑模姿态控制器四旋翼无人机，并计算对应的控制率。

2.如权利要求1所述的基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述将所述动力学模型转化成二阶系统模型，包括：

S11、定义四旋翼无人机状态空间的状态变量

S12、定义四旋翼无人机的控制变量U＝[u₁ u₂ u₃]^T，基于所述动力学模型

和状态变量得到四旋翼无人机的状态空间模型为：

其中，

S13、分别选取所述状态空间模型中的滚转角φ部分、俯仰角θ部分和偏航角ψ部分，并变换为所述二阶系统模型：

3.如权利要求2所述的基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法，其特征在于，分别基于所述滚转角φ、俯仰角θ部分和偏航角ψ的状态变量模型构建比例积分观测器：其中，表示对系统状态x的观测值，表示对系统输出y的观测值K_p，k_I分别代表比例积分观测器的比例增益矩阵和积分系数。

4.如权利要求3所述的基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法，其特征在于，步骤S3中，包括：

S31、分别基于所述滚转角φ、俯仰角θ部分和偏航角ψ并结合各角度对应的所述比例积分观测器以及对应的所述状态变量模型和等式构建分别与滚转角φ、俯仰角θ部分和偏航角ψ对应的滑模姿态控制器。

5.如权利要求4所述的基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法，其特征在于，步骤S2中，还包括利用Lyapunov稳定性理论构建Lyapunov函数证明所述比例积分观测器的稳定性：

S21、定义所述比例积分观测器的状态估计误差为将

转换为：其中，

并将转化为其中，

S22、基于李亚普洛夫理论对于李亚普洛夫函数V(e_f)，存在是负定的，则说明所述比例积分观测器是渐进稳定的。

6.如权利要求5所述的基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法，其特征在于，步骤S3中，还包括利用Lyapunov稳定性理论构建Lyapunov函数证明所述比例积分观测器与所述滑模控制器相结合后所述四旋翼无人机的稳定性。