[发明专利]多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器设计方法

说明书

本发明提供一种多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器设计方法，包括以下步骤：S1：建立多旋翼飞行器动力学模型；S2：对现有的自抗扰控制器中的扩张状态观测器进行降低阶数的改进，得到初步改进观测器；S3：对初步改进观测器进行延时补偿及扰动跟踪速度的改进，得到二次改进观测器，并且通过二次改进观测器得到准确观测值；S4：根据准确观测值设计改进后的自抗扰控制器的输入值，实现对目标值的跟踪，得到多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器。本发明提供一种多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器设计方法，对传统自抗扰控制器进行优化改进，降低了扩张状态观测器的阶数，并进行了延时补偿及扰动跟踪速度的改进，使之能在小扰动时保持小增益。

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，更具体的，涉及一种多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器设计方法。

背景技术

小型多旋翼飞行器因其垂直起飞悬停和降落、方便控制等优点，在民用领域和军事领域均得到了广泛应用。多旋翼飞行器为欠驱动、强耦合的非线性系统，具有自重小、结构不确定的特点，在遭遇强风等恶劣飞行环境时控制困难。且电机振动、桨缺陷等会造成传感器采集数据噪声大，严重影响控制精度甚至造成失控。传统PID控制器的D项会放大噪声很难起到控制作用，且调节时间长，超调大动态性能不理想，难以满足动态及大震动和大扰动情况下的性能指标。近年来，有人提出的自抗扰控制(ADRC)能够使用扩张状态观测器(ESO)实时估计扰动和各阶状态量，不必使用精确动力学模型并能降低噪声的影响，在多旋翼工程应用中尤为适用。

现有的飞行器控制技术有使用改进的fal函数对四旋翼姿态进行自抗扰控制，提高了抗扰效果，但是该方法参数数量多，参数整定复杂，且将电机桨的惯性加速度过程等效为延时环节，在控制惯性时间大的飞行器时容易产生震荡超调；也有采用降价线性自抗扰控制器提高了ESO的估计精度，降低了对噪声的敏感程度，但是仍然存在带宽与扰动跟踪速度的矛盾；还有将自抗扰算法与自适应控制、广义预测控制等算法结合，在动态性能及参数整定上有所提升，但是算法复杂，工程应用困难。

发明内容

本发明为克服小型多旋翼飞行器在飞行时，由于风力扰动和电机振动等振源造成的机身振动，使得传感器噪声增大导致飞行不稳定从而造成的调参复杂的技术缺陷，提供一种多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器设计方法，包括以下步骤：

S1：建立多旋翼飞行器动力学模型；

S2：对现有的自抗扰控制器中的扩张状态观测器进行降低阶数的改进，得到初步改进观测器；

S3：对所述初步改进观测器进行延时补偿及扰动跟踪速度的改进，得到二次改进观测器，并且通过所述二次改进观测器得到准确观测值；

S4：根据所述准确观测值设计改进后的自抗扰控制器的输入值，实现对目标值的跟踪，得到多旋翼飞行器单参数自抗扰姿态控制器。

上述方案中，引入更精确的多旋翼飞行器动力学模型，对传统自抗扰控制器进行优化改进，降低了扩张状态观测器的阶数，并进行了延时补偿及扰动跟踪速度的改进，使之能在小扰动时保持小增益。

优选的，在步骤S1中，所述多旋翼飞行器为质量分布均匀、轴对称、各轴动力参数相同的四旋翼飞行器，针对所述四旋翼飞行器建立四旋翼飞行器动力学模型。

优选的，步骤S1具体包括以下步骤：

S11：所述四旋翼飞行器动力学模型的角速度分别为：