[发明专利]一种复合翼垂直起降无人机旋翼模式控制方法及系统

说明书

本发明公开的一种复合翼垂直起降无人机旋翼模式控制方法及系统，首先建立无人机的位置子系统和姿态子系统的非线性模型，采用基于扩展状态观测器的递归滑模控制，通过观测器估计扰动并补偿到控制器，得到复合翼垂直起降无人机位置的三轴位置控制量，减小了滑模控制的抖振，提高了系统鲁棒性，姿态控制器采用自抗扰控制器，提高姿态控制器抗干扰能力，相比于传统PID控制，ADRC控制以及滑模控制，具有更好的鲁棒控制性能和轨迹跟踪能力。

技术领域

本发明涉及飞行控制领域，具体为一种复合翼垂直起降无人机旋翼模式控制方法及系统。

背景技术

近十年来，无人机技术突飞猛进，典型代表四旋翼无人机，具有垂直起降，结构简单，易操作易维修的特性，在民用领域取得广泛应用，但是航时短的缺点制约了其在远距离场景的应用，复合翼垂直起降无人机则采用固定翼无人机和旋翼无人机结合的方式，既能弥补旋翼无人机航时短的弊端，也能消除传统固定翼无人机对于跑道的要求。

复合翼垂直起降无人机的飞行包括旋翼模式，转换模式和固定翼模式。由于机翼的存在，使得原本旋翼模型变得复杂，且模型参数很难通过测量获取，这导致了在实际控制器设计过程中存在未建模的动力学以及参数的不确定性。且实际飞行过程中存在阵风干扰以及负载变化也会给飞行安全带来威胁，因此，为复合翼垂直起降无人机设计鲁棒性强的控制器尤为重要。

经典PID控制不依赖系统模型，结构简单，已经在工程领域得到广泛应用，但是在系统为强耦合非线性系统，且受到干扰以及模型不确定性时，经典PID缺乏鲁棒性。滑模控制(SMC)作为鲁棒控制理论的重要组成部分，具有快速收敛性和强鲁棒性，已经用于航天器、永磁同步电机、卫星、机器人等领域。但是传统滑模需要干扰上界已知，且控制信号存在高频抖振现象，损害执行器。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种复合翼垂直起降无人机旋翼模式控制方法及系统，有效提高复合翼垂直起降无人机旋翼模式抗干扰能力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种复合翼垂直起降无人机旋翼模式控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立复合翼垂直起降无人机在旋翼模式下的位置子系统和姿态子系统的非线性模型；

步骤2、根据位置子系统的非线性模型构建位置扩展状态观测器，基于递归滑模控制并结合位置扩展状态观测器构建位置子系统控制器，根据位置子系统控制器得到复合翼垂直起降无人机位置的三轴位置控制量；

步骤3、根据复合翼垂直起降无人机的姿态期望值构建跟踪微分器，根据姿态子系统的非线性模型构建姿态扩展状态观测器，根据跟踪微分器和扩展状态观测器通过线性反馈控制率建立姿态控制器，姿态控制器输出姿态控制量；

步骤4、基于步骤2和步骤3得到的位置控制量和姿态控制量，控制复合翼垂直起降无人机在旋翼模式下飞行。

优选的，步骤1中位置子系统的非线性模型的表达如下：

其中，p＝(x,y,z)为地面坐标系下的无人机位置，v＝(v_x,v_y,v_z)为速度， g为重力加速度，p₃＝[0 0 1]^T，u_f代表总推力，d_f为模型参数不确定性和外界干扰产生的地面坐标系上三轴干扰力。

优选的，步骤1中姿态子系统的非线性模型如下：

其中，J为转动惯量矩阵，d_τ为阻力力矩，ξ＝(φ,θ,ψ)表示滚转角、俯仰角和偏航角，τ＝(τ_φ,τ_θ,τ_ψ)为无人机受到的力矩。