[发明专利]一种基于干扰观测器的四旋翼鲁棒姿态控制方法

说明书

本发明涉及一种基于干扰观测器的四旋翼鲁棒姿态控制方法，包括以下步骤：步骤S1:构建四旋翼无人机姿态动力学模型；步骤S2:设计无人机姿态控制器，包括干扰观测器设计和滑模控制器设计；步骤S3:将控制器应用于四旋翼无人机，进行姿态控制。本发明有效提高四旋翼无人机姿态控制系统的抗外扰能力，保障了姿态控制的精确性。

技术领域

本发明涉及无人机姿态控制领域，具体涉及一种基于干扰观测器的四旋翼鲁棒姿态控制方法。

背景技术

姿态控制是四旋翼飞控系统核心的部分，是直接决定飞行器轨迹跟踪性能优劣的前提条件。由于四旋翼无人机是欠驱动动力系统，在空中飞行过程中容易受到外部干扰，同时考虑飞行器的重量发生变化，惯性矩变化，旋翼转动引起的颤振等情况下，导致飞行器的动力学模型中存在大量不确定部分，因此飞行器的精确数学模型是难以获得的。因此，考虑不同状况下的干扰量对飞行姿态的影响，以提高飞行性能的稳定性和鲁棒性一直都是研究的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于干扰观测器的四旋翼鲁棒姿态控制方法，提高四旋翼无人机姿态控制系统的抗外扰能力，保障了姿态控制的精确性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于干扰观测器的四旋翼鲁棒姿态控制方法，包括以下步骤：

步骤S1:构建四旋翼无人机姿态动力学模型；

步骤S2:设计无人机姿态控制器，包括干扰观测器设计和滑模控制器设计；

步骤S3:将控制器应用于四旋翼无人机，进行姿态控制。

进一步的，所述四旋翼无人机姿态动力学模型具体为：

式中，φ、θ、ψ分别表示为四旋翼的滚转角、俯仰角、偏航角；J_i(i＝x,y,z)表示转动惯量；J_r表示电机转动惯量；Δ_i(i＝φ,θ,ψ)表示外部未知的干扰量；L表示旋翼中心到机体坐标原点的距离；Ω_i(i＝1,2,3,4)表示四旋翼无人机各个旋翼的转速；U_i(i＝2,3,4)表示四旋翼各子系统的控制输入量，表达式如下所示

Ω＝Ω₁-Ω₂+Ω₃-Ω₄,

其中，k₁表示升力系数；k₂表示拖拉系数。

进一步的，所述干扰观测器设计具体为：将式(1)改写为状态向量形式：

其中，

定义四旋翼无人机姿态的期望值为ξ_d，令其一阶和二阶导数存在，且有界；预设四旋翼无人机姿态系统所有的状态量都是可测量的，干扰量Δ_i(i＝φ,θ,ψ)存在上界，

对于函数x(t)，若函数x(t)的n阶导数是李普希兹连续的，则

式中,z₀,z₁,…,z_n表示是x(t),…,x⁽ⁿ⁾(t)的估计；L表示李普希兹常数；σ_i(i＝0,1…n)代表微分器的增益；

针对四旋翼无人机姿态状态方程式(2)，设计微分器的输入