[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

说明书

本发明公开了一种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，能够有效提高四旋翼飞行器姿态控制的鲁棒性。该方法采用自抗扰控制实现姿态控制中的角速度环控制；在自抗扰控制器中，采用跟踪微分器对给定的角速度信号进行平滑降噪处理后得到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以及加入电机响应延时的控制量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；利用观测器的输出量与给定量做差通过非线性控制率计算得到初步控制量，利用观测器得到的扰动估计量在该初步控制量基础上进行补偿，获得最终的输出控制量u(t)。

技术领域

本发明属于四旋翼飞行器控制技术领域，涉及一种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。

背景技术

四旋翼是一种能够垂直起降(vertical take-off and landing,VTOL)的飞行器，它在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规的旋翼式飞行器相比，四旋翼结构更为紧凑，产生的升力更大，而且两对转动方向相反的旋翼可相互抵消反扭力矩，因此不需要反扭矩桨。由于四旋翼无人机相比固定翼飞机能够垂直起降、自由悬停，具有很强的机动能力，特别适合于复杂条件下执行任务。随着近年来四旋翼无人机在民用和军事领域的广泛应用，不仅提高了生产力水平，同时也改变了现代战争的作战方式。

四旋翼飞行器具有三个平动自由度、三个转动自由度，共六个自由度，但是只有四个控制输入。因此，四旋翼飞行器是一种典型的欠驱动系统。同时，四旋翼飞行器是具有强耦合、非线性、多变量等特性的静不稳定系统，且在低空飞行中会受到多种物理效应的作用以及风扰等外部环境的干扰，影响控制效果甚至导致失稳，因此需要设计一种稳定可靠的位置控制算法能够在外界有扰动情况下保证控制的稳定以及精度等一系列要求。

自抗扰控制技术是由中国科学院数学与系统科学研究所系统所的韩京清研究员及其领导的研究小组创立发展的，自抗扰控制技术既继承和发扬了经典控制的观念，同时又吸收了现代控制理论的思想。所谓自抗扰，是指：将未建模动态和未知外扰都归结为对象的未知扰动，用输入输出数据估计并给予补偿，从而实现了动态系统的动态反馈线性化，再使用非线性配置构成非线性反馈控制律来提高其闭环系统的控制性能。

目前已经有相关学者将自抗扰控制技术应用于四旋翼飞行器的相关控制中，但是其效果还有待进一步加强。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有四旋翼飞行器姿态控制中抗扰能力较差的缺陷，提供了一种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，能够有效提高四旋翼飞行器整体的抗扰能力以及跟踪精度，从而能够有效提高四旋翼飞行器姿态控制的鲁棒性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于自抗扰控制技术的四旋翼飞行器姿态控制方法，采用自抗扰角速度控制器实现姿态控制中的角速度环控制；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)。

优选地，所述姿态控制采用双环控制结构，内环角速度环采用所述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。