[发明专利]一种基于双干扰观测器四旋翼无人机分层抗干扰方法

说明书

本发明涉及一种基于双干扰观测器四旋翼无人机分层抗干扰方法，针对一类受到多源干扰影响的四旋翼无人机，通过设计双干扰观测器，实现对干扰的实时估计与补偿，首先，建立四旋翼无人机六自由度动力学模型；其次，针对质心运动控制回路，设计第一个非线性干扰观测器，估计质心运动干扰外力；然后，针对姿态控制回路，设计第二个非线性干扰观测器，估计干扰力矩；最后，利用两个干扰观测器的估计值，分别设计质心运动控制回路和姿态控制回路的控制律，保证飞行器闭环系统的稳定性。本发明能够提高四旋翼无人机抵抗多源干扰的能力。

技术领域

本发明涉及一种基于双干扰观测器四旋翼无人机分层抗干扰方法，主要应用于四旋翼无人机全回路位置、姿态跟踪控制，属于飞行器控制技术领域。

背景技术

四旋翼无人机具有自由悬停、运动性能好、体积小、环境友好等优势，越来越多受到国内外无人机爱好者的关注，近几十年发展势头迅猛，在农业遥感、远程摄影、智能物流等领域得到诸多应用，然而，由于其强非线性，强耦合，欠驱动等特性，且航空环境复杂，在大气中需要面对诸多外援干扰，导致四旋翼无人机的飞行控制系统比较复杂，面对未知的外界干扰需要具备很强的抗干扰能力。针对这种强扰动，常用的抗干扰策略为干扰估计和抑制，现有的应用方法多为自抗扰控制方法，即对每个控制通道利用扩张状态观测器，这种方法在整个控制过程中设计多套控制器增益，需要调节的参数过多，多依赖于工程师的经验，不利于实际方法的推广和应用。

针对四旋翼无人机在面对未知的外界干扰时的控制问题，本发明通过分别在质心运动控制环路和姿态控制环路设计两个非线性干扰观测器给出了很好的解决方案。本发明引入双回路干扰观测器，对复杂多源未知干扰进行估计，反馈给控制系统，并分别在两环路设计控制律，来抑制作用于质心和姿态回路的外界干扰，更具普适应用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对四旋翼无人机在面对未知的外界干扰时的控制问题，本发明通过运用复合分层抗干扰控制结构，分别在质心运动控制环路和姿态控制环路设计两个非线性干扰观测器，对复杂多源未知干扰进行估计，反馈给控制系统，并分别在两环路设计控制律，来抑制作用于四旋翼无人机质心和姿态回路的外界干扰，保证了四旋翼无人机飞行过程中良好的控制性能。

本发明的技术解决方案为一种基于双干扰观测器四旋翼无人机分层抗干扰方法，其实现步骤如下：

第一步，根据牛顿第二定律和拉格朗日-欧拉方程，建立四旋翼无人机六自由度动力学模型为：

其中，矢量q＝[φ,θ,ψ]^T代表三个旋转变量，φ,θ,ψ分别代表滚转角度、俯仰角度、偏航角度，为q的一阶导数和二阶导数。p＝[x,y,z]^T表示三个平移变量，x,y,z分别表示四旋翼无人机在惯性系中x-y-z三轴坐标系的位置坐标，分别表示x,y,z的二阶导数。g和m分别表示表示无人机的重力加速度和质量，用来表示动力学模型中的重力。F为四旋翼无人机四个升降舵的总升力，f₁，f₂，f₃，f₄分别为无人机四个升降舵各自提供的升力。无人机所受外部力包括干扰外力d_p和控制外力矩τ_q，其中，d_p＝[d_px,d_py,d_pz]^T为干扰外力在x-y-z三轴惯性坐标系中的分量，τ_q＝[τ_qφ,τ_qθ,τ_qψ]表示控制力矩在φ-θ-ψ旋转坐标系下的分量，满足下式：

其中，w和l为旋翼的宽度和长度，K_c表示扭矩系数。

根据牛顿-欧拉法得到旋翼的旋转动力学方程如下：