[发明专利]基于自抗扰控制技术的四旋翼飞行器姿态控制方法和系统

权利要求书

1.一种基于自抗扰控制技术的四旋翼飞行器姿态控制方法，其特征在于，所述姿态控制采用双环控制结构，内环角速度环采用自抗扰角速度控制器实现，外环角度环采用PD角度控制器实现；

在自抗扰角速度控制器中，采用跟踪微分器对给定的角速度信号v进行平滑降噪处理，并将平滑降噪处理后的输入信号本身v₁及其导数v₂作为给定的角速度和角加速度；观测器采用二阶扩张状态观测器，采用被控对象的反馈角速度y以及加入电机响应延时τ的控制量u(t-τ)，对角速度控制模型的各阶状态以及作用在模型上的内、外部扰动与系统未建模动态的总和进行观测估计；将观测器输出的角速度估计量z₁与角速度给定量v₁做差，将角速度估计量z₁微分获得角加速度估计量与角加速度给定量v₂做差，两个差值通过非线性控制率计算得到初步控制量u₀，利用观测器得到的扰动估计量在该初步控制量u₀基础上进行补偿，获得最终的控制量输出u(t)；

建立PID姿态控制器；采用PID姿态控制器控制手动起飞过程，在飞行器进入自动模式并稳定悬停后，开始同时运行PID姿态控制器与由自抗扰角速度控制器和PD角度控制器组成的自抗扰姿态控制器，但此时仍采用PID姿态控制器的输出量作为实际的输出控制量；并判断所述自抗扰姿态控制器与PID姿态控制器计算得的控制量是否相差在一定范围内，若自抗扰姿态控制器的输出量不发散且两控制器输出的控制量数值相差在设定范围内，则切换为所述自抗扰姿态控制器控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪微分器采用最速综合函数fhan构建；在最速综合函数中，快速因子r采用10⁴量级数据，滤波因子h₁采用10^-2量级数据。

3.一种基于自抗扰控制技术的四旋翼飞行器姿态控制系统，该系统包括自抗扰姿态控制器，其特征在于，该自抗扰姿态控制器包括内环的角速度控制器和外环的角度控制器；所述角速度控制器为自抗扰角速度控制器，其包括跟踪微分器、观测器、非线性控制率计算模块、时延模块和控制量补偿模块；该系统进一步包括PID姿态控制器、切换控制模块和切换开关；

跟踪微分器，用于对给定的角速度信号v进行平滑降噪处理，将平滑降噪处理后的输入信号本身v₁及其导数v₂作为给定的角速度和角加速度用于后续计算；

时延模块，用于将输出控制量u(t)加入电机响应延时τ后形成u(t-τ)输入到观测器；

观测器采用二阶扩张状态观测器，采用被控对象的反馈角速度y和加入时延的控制量u(t-τ)，对角速度控制模型的各阶状态以及作用在模型上的内、外部扰动与系统未建模动态的总和进行观测估计，获得角速度估计量z₁和扰动估计量，并对角速度估计量z₁进行微分获得角加速度估计量

非线性控制率计算模块，用于将角速度估计量z₁和角加速度估计量与来自跟踪微分器的给定量v₁和v₂对应做差，两个差值通过非线性控制率计算得到初步控制量u₀；

控制量补偿模块，用于利用观测器得到的扰动估计量在该初步控制量u₀基础上进行补偿，获得最终的控制量输出u(t)；

切换控制模块，用于在手动起飞阶段，通过控制切换开关，使得PID姿态控制器工作；飞行器入自动模式并稳定悬停后，通过控制切换开关，使得PID姿态控制器与自抗扰姿态控制器同时工作，但此时仍采用PID姿态控制器的输出量作为实际的输出控制量；判断PID姿态控制器与自抗扰姿态控制器计算得的控制量是否相差在一定范围内，若自抗扰姿态控制器的输出量不发散且两控制量数值相差在设定范围内，则通过控制切换开关，切换为自抗扰姿态控制器工作。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述跟踪微分器采用最速综合函数fhan构建；在最速综合函数中，快速因子r采用10⁴量级数据，滤波因子h₁采用10^-2量级数据。