[发明专利]一种旋翼飞行器的姿态控制方法

说明书

本发明涉及一种旋翼飞行器的姿态控制方法，用以控制飞行器的俯仰角、滚转角、偏航角，建立旋翼飞行器姿态角的动力学模型，利用自适应方法实时估计所述动力学模型中的未知参数，补偿动力学模型的不确定性；并用鲁棒方法提高控制系统的鲁棒性，增强抗干扰能力；每个姿态角系统均为二阶系统，采用反步法推导，从第一阶依次推导，每一阶均利用自适应鲁棒方法求取结果，最后得到姿态角的控制律。本发明采用自适应鲁棒方法控制姿态角，不用像PID控制(比例积分微分控制)一样需要精确设置控制参数，只需令控制参数在一定范围内足够大即可，参数调整更简便；对模型的精确度要求不高，可以较精确地估计未知参数，提高对期望信号的跟踪精度。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，更具体地涉及一种旋翼飞行器的姿态控制方法及控制器。

背景技术

近年来，多旋翼飞行器是航空产品的研究热门，它以独特的飞行方式和轻便的结构，在民用、军用领域得到了广泛的关注和应用。四旋翼飞行器具有四个螺旋桨，可呈X型或十字型排列，它只需要通过调整四个电机的转速来调整四个螺旋桨的升力，从而实现俯仰、滚转、偏航、升降等飞行动作，并具有可垂直起降、悬停、机动性好的优点。鉴于四旋翼飞行器广泛的应用前景，对四旋翼的建模及控制的研究具有重要的意义和价值。

四旋翼飞行器是一个非线性、强耦合、欠驱动的六自由度被控对象，其独特的结构布局和飞行控制的干扰敏感特性使其控制系统的设计变得较为复杂。控制器的设计是四旋翼飞行器的重要组成，主要有位置控制、高度控制、姿态控制等，其中姿态控制是旋翼飞行器的基础。如何设计合适的控制器来提高飞行器姿态的控制精度和稳定性是姿态控制的关键问题。

目前，针对姿态控制，大多数应用领域中都采用传统的PID控制。因为四旋翼无人机的物理模型复杂，模型参数无法建立精确，而PID控制是一种不基于模型的控制方法，因此模型不准确对PID控制而言影响很小。但是PID控制器的参数多、抗扰动和环境适应能力差，调节过程繁冗。也有很多学者将自适应控制、滑模控制、模型预测控制等方法应用其中，模型预测方法虽然对模型精确度的要求不高，且具有较好的动态性能，但其约束复杂、在线优化计算时间长、数值不稳定，因此在快速系统应用中难度较大。

发明内容

针对四旋翼飞行器模型精确度低及对扰动较为敏感的缺陷，且实时性需求高的情况，本发明提出一种基于动态面的自适应鲁棒控制方法(ARC)应用在X型四旋翼飞行器的姿态控制中。自适应控制可以较好估计模型的未知参数，具有良好的自适应补偿作用。而鲁棒控制可以使控制系统对外界扰动具有较强的鲁棒性，而动态面可以解决多阶系统反步法推导过程中导数项数膨胀问题，有效提高四旋翼飞行器的控制性能。

本发明提供的技术方案如下：

一种旋翼飞行器的姿态控制方法，用以控制飞行器的俯仰角、滚转角、偏航角，其特征在于建立旋翼飞行器姿态角的动力学模型，利用自适应方法实时估计所述动力学模型中的未知参数，补偿动力学模型的不确定性；并用鲁棒方法提高控制系统的鲁棒性，增强抗干扰能力；每个姿态角系统均为二阶系统，采用反步法推导，从第一阶依次推导，每一阶均利用自适应鲁棒方法求取结果，最后得到姿态角的控制律。

进一步地，具体包括以下步骤：

S1、建立旋翼飞行器姿态角的动力学模型，考虑所述动力学模型中的不确定参数和外界未知扰动，将其转换为状态空间模型；

S2、模型建立完成后，设计鲁棒自适应控制器，设计俯仰角、滚转角、偏航角的控制律分别为：