[发明专利]一种四旋翼无人机复合动态逆抗干扰姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人机复合动态逆抗干扰姿态控制方法。建立四旋翼无人机姿态子系统的受扰动力学模型；将四旋翼无人机的内回路控制转化为姿态指令跟踪误差镇定问题；建立四旋翼无人机姿态子系统的扩张状态观测器，实现集总干扰和姿态跟踪误差变化率的估计；结合集总干扰和姿态跟踪误差变化率估计信息，构建姿态回路的复合动态逆控制器。本发明通过采用扩张状态观测器技术，显著提升了姿态回路系统的抗干扰的能力，有效地抑制了多源干扰对四旋翼飞行器控制性能的影响。

技术领域

本发明属于飞行控制技术领域，特别涉及了一种四旋翼无人机姿态控制方法。

背景技术

四旋翼无人机是一种能够垂直起降和空中悬停的无人机，由于其结构简单、控制方便、飞行环境通用性强、维护成本低等优点，已经被广泛应用于航空侦察、高空拍摄、环境灾害监测、灾难救援等领域，具有重要的研究意义和应用前景。四旋翼无人机的控制是通过调节内环姿态产生三个方向的加速度，进而实现无人机的位置控制。四旋翼姿态环子系统是一个典型的多输入-多输出，非线性特性明显，状态耦合严重的复杂系统，除此之外四旋翼无人机飞行过程还会受到内部气动参数摄动、摩擦等未建模动态外界阵风干扰以及环境不确定性因素等多源干扰的影响，因此抗干扰控制成为四旋翼无人机姿态系统控制设计急需解决的关键问题。

针对四旋翼无人机的抗干扰控制问题，国内外学者主要采用鲁棒控制算法依靠控制器的鲁棒性被动地消除误差的影响，这种控制策略不仅抑制干扰的速度缓慢，而且其抗干扰性能是以牺牲系统标称性能为代价获取的。因此亟需提出一种能够快速抑制干扰对控制系统性能的影响的四旋翼无人机主动抗干扰控制方法。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种四旋翼无人机复合动态逆抗干扰姿态控制方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种四旋翼无人机复合动态逆抗干扰姿态控制方法，包括以下步骤：

(1)建立四旋翼无人机姿态子系统的受扰动力学模型；

(2)将四旋翼无人机的内回路控制转化为姿态指令跟踪误差镇定问题；

(3)建立四旋翼无人机姿态子系统的扩张状态观测器，实现集总干扰和姿态跟踪误差变化率的估计；

(4)结合集总干扰和姿态跟踪误差变化率估计信息，构建姿态回路的复合动态逆控制器。

进一步地，在步骤(1)中，所述四旋翼无人机姿态子系统的受扰动力学模型如下：

其中，φ表示四旋翼无人机的滚转角，θ表示四旋翼无人机的俯仰角，ψ表示四旋翼无人机的偏航角；w_x，w_y和w_z分别表示绕x，y和z轴的旋转角速度；J_x，J_y和J_z分别表示绕x，y和z轴的转动惯量；τ_x，τ_y和τ_z分别表示作用在x，y和z轴的力矩；D_x,D_y,D_z表示三个轴向的集总干扰；s_φ表示sinφ，c_φ表示cosφ，c_θ表示cosθ，t_θ表示tanθ；字母上方一点表示其一阶微分。

进一步地，在步骤(2)中，定义：

定义姿态跟踪误差：