[发明专利]一种四旋翼无人机复杂轨迹的全回路复合动态逆跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人机复杂轨迹的全回路复合动态逆跟踪控制方法，首先，建立包含位置回路和姿态回路的受扰四旋翼无人机全回路系统模型；其次，基于扩张状态观测器技术，分别针对位置和姿态子系统设计干扰观测器，对集总干扰进行估计；最后，基于非线性动态逆算法，结合干扰估计信息，构建复合动态逆轨迹跟踪控制器，实现复杂轨迹的高精度跟踪。本发明通过采用扩张状态观测器技术，实现了位置和姿态回路中集总干扰的渐近估计，并将干扰估计信息以前馈的形式对干扰进行补偿，显著提升了控制器的抗干扰性能；本发明相比于传统的动态逆控制方法，具备更好的抗干扰性能，有效地抑制了多源干扰对四旋翼无人机控制性能的影响。

技术领域

本发明属于飞行控制技术领域，具体涉及一种四旋翼无人机复杂轨迹的全回路复合动态逆跟踪控制方法。

背景技术

四旋翼无人机是一种能够定高悬停和垂直起降的无人机，由于其结构简单、成本低廉、便于维护以及飞行环境通用性强等优点，已经被广泛应用于航空侦察、灾难救援、编队攻击等领域，具有重要的研究意义和应用前景。四旋翼无人机高精度轨迹跟踪是四旋翼无人机执行复杂任务或编队飞行的重要基础和前提。然而在轨迹跟踪尤其是复杂轨迹的跟踪过程中，四旋翼无人机会受到内部气动参数摄动、未建模摩擦动态、外界阵风干扰以及环境不确定性等多源干扰的影响，这些多源干扰严重影响了轨迹跟踪的精度。因此干扰抑制已成为四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统设计急需解决的关键问题。

针对受扰四旋翼无人机的轨迹跟踪控制问题，国内外学者给出了多种抗干扰控制策略，包括基于标称模型的非线性特性进行反馈的动态逆控制和依靠自身算法鲁棒性的滑模控制。但是这些方法的干扰抑制策略是基于误差信号被动地消除干扰带来的影响，并且系统的抗干扰性能是以牺牲标称性能为代价获取的。因此亟需提出一种能够快速、主动抑制多源干扰影响的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法。

发明内容

发明目的：本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种四旋翼无人机复杂轨迹的全回路复合动态逆跟踪控制方法，能够实现位置环和姿态环集总干扰的渐近估计，并将干扰估计信息以前馈的形式对干扰带来的不利影响进行补偿或抵消，以保证四旋翼无人机具备更快速、更强的抗干扰性能。

技术方案：本发明提供一种四旋翼无人机复杂轨迹的全回路复合动态逆跟踪控制方法，具体包括以下步骤：

(1)构建包含四旋翼无人机位置回路子系统和姿态回路子系统的受扰四旋翼无人机全回路系统模型；

(2)将四旋翼无人机的轨迹跟踪问题转化为位置环跟踪误差和姿态环跟踪误差的镇定问题；

(3)设计四旋翼无人机位置和姿态子系统的扩张状态干扰观测器；

(4)针对四旋翼无人机位置子系统，通过引入虚拟控制量，设计复合动态逆控制器；

(5)通过代数转换，将位置环的虚拟控制量转化为所需升力指令和四旋翼无人机姿态环的姿态指令；

(6)针对四旋翼无人机姿态子系统，设计复合动态逆控制器，获得三个轴向所需力矩的大小，实现复杂轨迹的高精度跟踪。

进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：

(11)构建受扰四旋翼无人机的位置子系统模型：