[发明专利]一种四旋翼无人机的鲁棒跟踪控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人机的鲁棒跟踪控制方法及系统，属于无人机控制领域。针对现有技术中存在的无人机系统的时变扰动问题，本发明提出了一种四旋翼无人机的鲁棒跟踪控制方法及系统，控制方法包括：根据四旋翼无人机的动力学和运动学模型，得到四旋翼无人机的状态空间模型；根据四旋翼无人机的状态空间模型，构建四旋翼无人机控制系统的广义比例积分观测器；将广义比例积分观测器与反步控制相结合，构建复合控制器；通过复合控制器对四旋翼无人机进行控制。本发明将反步控制与广义比例积分观测器相结合，利用广义比例积分观测器估测集总时变扰动，将估测值应用于前馈控制，有效提高了系统的抗干扰能力，并且易于实现。

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，更具体地说，涉及一种四旋翼无人机的鲁棒跟踪控制方法及系统。

背景技术

随着无人机技术的发展，四旋翼无人机引起了很多人的注意，与传统固定翼相比，四旋翼无人机有许多显著的优点。首先它的机械结构简单、控制灵活，其次它具有垂直起落的能力，使用四旋翼无人机能替代人去完成危险任务，这些优点使得四旋翼无人机在军事和民用领域得到广泛应用。

在这些复杂的任务中，四旋翼无人机的性能主要依赖于飞行控制器。因此，研究人员在无人机的飞行控制器设计上付出了很多努力。文献中也记录了各种各样的控制方法。其中，PID(proportion integration differentiation)控制方法凭借其易于实现的特点的到最广泛的应用。但是，因为PID的线性特性，它的控制精度受到限制，难以满足越来越高的需求。由于新一代的硬件提供了更高的计算能力，许多非线性控制方法得到实现，例如：滑模控制器、反步控制器和线性二次控制器。后来，为了达到鲁棒控制，控制器中逐渐引入了现代控制理论，例如李雅普诺夫函数设计。这些方法也在理论和实验中得到了证明。

然而，上面这些控制方法很少有考虑外部扰动和模型不匹配，比如负载、风和电机损坏。这个缺点限制了这些控制器的性能。为了估计和补偿这些干扰，提高系统的抗干扰性能，学者们也做了大量研究。专利(西北工业大学.一种抗干扰四旋翼无人机姿态控制方法[P].中国专利:CN107491081A,，2017.12.19)中，使用径向基神经网络设计干扰补偿器估计模型不确定和外部干扰并进行补偿，提高了系统的抗干扰能力，但是干扰估计器需要一定的学习时间，而且算法复杂度高，不易于实现。

专利(南京航空航天大学.一种四旋翼无人机复合动态逆抗干扰姿态控制方法[P].中国专利:CN110850887A，2020.02.28)中，采用扩张观测器对姿态子系统中的多元干扰和姿态跟踪误差变化率进行估计，一定程度上提高了系统的控制精度和抗干扰能力，但是这种方法只能精确估计缓慢的时变干扰。

专利(南京邮电大学.基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法[P].中国专利：CN201910062164.X，2019.3.26)，公开了一种基于比例积分观测器的四旋翼无人机滑模姿态控制方法，方法包括步骤：建立仅存在干扰情况的四旋翼无人机的动力学模型，并将四旋翼无人机滚转角、俯仰角和偏航角的表达式均转化成二阶系统模型；基于二阶系统模型构建对应的比例积分观测器；根据比例积分观测器设计滑模姿态控制器，结合滚转角、俯仰角和偏航角的滑模姿态控制器对四旋翼无人机进行飞行控制；该发明将比例积分观测器与滑模姿态控制器相结合，通过比例积分观测器的部分反馈功能对四旋翼无人机的状和位置输入干扰态进行估计，提高比例积分状态观测器的稳态跟踪精度；通过滑模姿态控制器对四旋翼无人机的不确定因素具有较强的鲁棒性和抗干扰性。但是滑模控制由于引入了符号函数，会存在抖振问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的无人机系统的时变扰动问题，本发明提供了一种四旋翼无人机的鲁棒跟踪控制方法及系统，它可以估测始变扰动，将估测值用于前馈控制，提高系统的抗干扰能力，易于实现。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。