[发明专利]一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法

权利要求书

1.一种针对质心偏移和基座浮动的带臂旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将质心偏移和基座浮动分别看作外部集总干扰，将旋翼无人机看作机械臂的可浮动基座，其中由机械臂关节运动引起的质心偏移看作是可建模的干扰力和干扰力矩，而基座浮动则视为对机械臂的干扰，建立含有质心偏移干扰带臂旋翼无人机动力学方程；

第二步，针对可建模的质心偏移所引起的干扰，设计质心偏移PID控制器，利用多自由度机械臂的不同关节配置主动改变质心偏移量从而间接控制基座移动，再次，针对基座浮动对机械臂带来的干扰，设计基座浮动干扰观测器进行量测；

第三步，针对质心偏移和基座浮动的干扰观测误差，设计抗饱和控制器进行质心偏移控制和抑制基座浮动对机械臂的干扰；

第四步，最后基于第二步中的质心偏移控制器、第二步中的基座浮动观测器与第三步中的抗饱和控制器的控制增益，设计复合抗干扰控制器，完成多源干扰条件下的带臂旋翼无人机抗干扰姿态控制系统设计；

所述第一步中，建立含有质心偏移干扰带臂旋翼无人机耦合动力学方程如下：

式中，v_b表示作为机械臂基座的旋翼无人机的平动速度，m_b和m_l分别为多旋翼无人机和机械臂；F_t为多旋翼无人机的总推力，R_b为多旋翼无人机体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵；e₃＝[0 0 1]^T，g为重力加速度，F_dis表示质心偏移导致的对基座的干扰力，ω_b为多旋翼无人机的角速度，I_b为多旋翼无人机的转动惯量，τ为多旋翼产生的力矩，τ_dis为质心偏移对基座产生的干扰力矩；

所述第二步中，质心偏移PID控制器为：

E_pos＝P_desired-P_current

其中，K_p，K_d，K_i分别为比例增益、微分增益、积分增益；T_c为PID控制器输出，E_pos为位置控制偏差，是控制偏差变化率，P_desired，P_current分别为期望位置和当前位置；

设计的基座浮动干扰观测器具体实现如下：

其中v(t)是基座浮动观测器的一个辅助状态变量，是辅助状态变量的变化率，是外界干扰对系统状态的影响，是基座浮动针对集总干扰d_s(t)的估计值，L是待求干扰观测器的增益，A、B都是系统状态方程的特征矩阵，t表示时间，x(t)表示系统的状态，u(t)表示控制输入，W和V是干扰模型的参数矩阵；

所述第三步，针对质心偏移估计和基座浮动干扰观测误差，设计抗饱和控制器进行主动偏移控制和抑制基座浮动对机械臂的干扰具体实现如下：

电机的最大输出力矩为u_max，且u_max＞0，从而得到抗饱和控制器如下：

式中的u(t)为电机收到的控制升力指令，不会超过电机转速的最大值，F_t(t)为多旋翼的总升力；

所述第四步，复合抗干扰控制如下：

r_COM表示在基座为参考原点下系统的质心，m_l为机械臂关节的质量，m_b为无人机的质量，m_s为系统总质量，R_b为四旋翼旋转矩阵，e₃＝[0 0 1]，g是重力加速度，ω_b是无人机角速度；表示系统的加速度；F_t是多旋翼无人机的总推力；F_dis表示质心偏移导致的对基座的干扰力；u_c(t)是抗饱和控制器的输出，F_dis(t)是可控扰动，为干扰估计值，α为待优化的超参数，u(t)是无人机干扰观测器、可控扰动与抗饱和控制器复合后的控制输入。