[发明专利]一种基于非线性扰动观测器的四旋翼飞行器滑模控制方法

说明书

本发明提出了一种基于非线性扰动观测器的四旋翼飞行器滑模控制方法，考虑到四旋翼飞行器存在系统不确定性和外部扰动的影响，首先建立起考虑外部扰动的四旋翼动力学模型，并提出了一种非线性扰动观测器来估计外部扰动的实际值，本发明为了保证四旋翼飞行器的稳定性，根据双环的设计思想，将四旋翼动力学分解为姿态子系统和位置子系统，分别对两个子系统设计控制器，针对内环设计的非奇异快速终端滑模控制器能够保证姿态快速收敛，将backstepping和非奇异快速终端滑模相结合应用于外环，保证了跟踪的性能，本发明对具有系统不确定性和外部扰动的四旋翼飞行器具有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性。

技术领域

本发明属于飞行器自动控制技术领域，具体涉及一种基于非线性扰动观测器的四旋翼飞行器滑模控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器是通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。与传统飞行器相比，四旋翼具有成本低、可控性强、操作简单、维护方便等显著优点。因此，四旋翼被用于完成各种任务，如空中物流，电网维护，农药喷洒，航空摄影等。然而，由于四旋翼的欠驱动特性、非线性耦合、陀螺仪效应以及与不确定飞行环境相关的外部干扰等特性，所以四旋翼飞行控制系统的设计是一项颇具挑战性的工作。在实际应用中，四旋翼容易受到外界干扰的影响，容易造成姿态计算的较大偏差，从而使得四旋翼失去控制，造成飞行器毁坏等重大的损失甚至会对地面人员的人身安全造成威胁。因此，在设计控制器时必须考虑外部干扰对飞行控制系统稳定性的影响。

滑模控制被认为是一种对系统不确定性和外部干扰具有高鲁棒性的非线性控制方法，它的控制是不连续的，这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。当系统处于滑动状态，此时系统动力学行为与控制律无关，且对系统内部参数不确定和外部扰动完全不敏感，这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识，物理实现简单等优点。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后，难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生颤动，即抖振问题。

终端滑模以其动态响应速度快、有限时间收敛、稳态跟踪精度高等优点，得到广泛应用。但是在实际应用时，在某个特定的区域，控制输入会出现无穷大的情况，即产生奇异现象。为了解决终端滑模控制的奇异性问题，于是有学者提出了非奇异终端滑模来消除系统控制输入中的奇异现象。由于外界的扰动及不确定项是滑模控制中抖振的主要来源，利用观测器来消除干扰及不确定项已经成为解决抖振问题研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了解决现有技术的不足，针对四旋翼无人机系统的不确定性和外部扰动的问题，提供了一种能够对未知外部扰动进行精确估计，并可以使系统具有自主消除外部扰动影响的能力，达到期望姿态、位置控制目标的四旋翼飞行器控制技术。

为解决上述问题，本发明的技术解决方案提出一种基于非线性扰动观测器的四旋翼飞行器滑模控制方法，通过以下步骤实现：

步骤1、建立四旋翼飞行器的动力学模型，将无人机系统分为姿态子系统和位置子系统，该动力学模型具体如下,

其中，飞行器三个姿态的欧拉角度表示为[φ,θ,ψ]，分别代表滚转角、俯仰角和偏航角；飞行器质心在惯性坐标系中的位置坐标表示为[x,y,z]；a_i为常数并且i＝1,...,9，S_(*)表示sin(*)，C_(*)表示cos(*)，U₁为滚转角的控制输入，U₂为俯仰角的控制输入，U₃为偏航角的控制输入，U₄为位置系统的控制输入，g为重力系数；

步骤2、建立四旋翼飞行器扰动模型，根据步骤1可以建立如下模型，具体如下：