[发明专利]一种四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质

说明书

本发明涉及一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质，所述方法包括以下步骤：基于两个四元数的非线性函数，建立四旋翼无人机姿态动力学模型；基于建立的四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立非线性增广观测器；基于非线性增广观察的观测状态量依次代替四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立动态面控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。避免大角度激动飞行时产生的奇点问题，同时避免了复杂的坐标转换推到的过程，非线性增广观测器的观测误差最终有界范围要小于扰动，能够持续有界抑制扰动，同时对噪声不敏感，保证了整个控制系统的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及四旋翼无人机技术领域，特别涉及一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质。

背景技术

四旋翼无人机具有垂直起降、定点悬停、机动性强、操作灵活等特点，现已被广泛应用到搜索营救、战场侦查、火场勘察、交通管制等军事及民用领域。现有的四旋翼无人机姿态控制器的姿态数学模型通常是建立在限定姿态角的变化率等于绕机体轴角速度的条件下，即默认机体轴角速度到欧拉角的转换关系矩阵为单位矩阵，然而这种默认的条件只有在飞行器悬停或者小角度飞行时才是合理的。但是，考虑四旋翼无人机应用在军事等领域时，可能需要飞行器做大角度机动飞行，即转换关系矩阵不为单位矩阵时，基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值问题，同时由于四旋翼无人机姿态数学模型中存在不确定性项以及遭受外扰量，控制性能会降低。

发明内容

为此，需要提供一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质，解决现有的四旋翼无人机姿态动力学模型基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值的问题，以及由于四旋翼无人机姿态数学模型中存在不确定性项以及遭受外扰量，控制性能会降低的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法，包括以下步骤：

基于两个四元数的非线性函数，建立四旋翼无人机姿态动力学模型；

基于建立的四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立非线性增广观测器；

基于非线性增广观察的观测状态量依次代替四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立动态面控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。

进一步优化，其特征在于，所述“基于两个四元数的非线性函数，建立四旋翼无人机姿态动力学模型”具体包括以下步骤：

根据四旋翼无人机所受的合外力矩M_T包括控制力矩U、科氏力矩M_c、以及不确定性因素力矩Δ，确定四旋翼无人机的姿态动力学模型为ω为在机体坐标E_B下相对于惯性坐标E_I的角速度，且J为四旋翼无人机的转动惯量矩阵，且U为控制力矩， D为合外力矩中除控制力矩之外其他的力矩，有界且导数存在，

基于单位四元数得到四元数表示的转换矩阵q₀为四元数的标量部分，为四元数的矢量部，且满足

将用单位四元数表示得到：其中，I₃是单位矩阵，

基于四旋翼无人机的姿态追踪的期望值建立四旋翼无人机的姿态追踪误差为期望四元数值的标量部分，为期望四元数值的矢量部分，为非线性函数，

根据四旋翼无人机在机体坐标E_b下角速度追踪误差e_ω为为在机体坐标E_b下角速度的期望值，及四旋翼无人机的姿态动力学模型的误差为建立四旋翼无人机的姿态追踪误差动力学方程

根据建立四旋翼无人机最终的姿态动力学模型