[发明专利]一种基于扰动观测器控制的四旋翼无人机抗干扰控制方法

权利要求书

1.一种基于扰动观测器控制的四旋翼无人机抗干扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立六自由度的四旋翼无人机动力学等效模型，该动力学等效模型如下：

其中，x,y,z代表四旋翼无人机相对于惯性系的位置坐标；φ，θ，ψ代表四旋翼无人机的欧拉角，即侧倾角，俯仰角和偏航角；u₁,u₂,u₃,u₄分别代表推力，侧倾力矩，俯仰力矩和偏航力矩；I_x,I_y,I_z,m分别代表围绕四旋翼的x轴，y轴，z轴惯性常数和四旋翼无人机的质量；l是从每个转子的中心到四旋翼的重心的距离，J_r是螺旋桨的惯性，c是力对力矩的比例因子；

(2)针对任一自由度建立包含不匹配扰动和执行器故障的二阶数学模型，该二阶数学模型为：

其中f为由于执行器故障引起的不确定项，d_z为不匹配扰动；

(3)针对二阶数学模型中的不匹配扰动设计对应的扰动观测器，在有限时间内估计出扰动出现的时间和数值大小，该扰动观测器形式如下:

v_z0＝-λ₀L^1/(r+1)|τ_z0-x₁|^r/(r+1)sgn(τ_z0-x₁)+τ_z1

v_z1＝-λ₁L^1/(r)|τ_z1-v_z0|^(r-1)/rsgn(τ_z1-v_z0)+τ_z2

v_z(r-1)＝-λ_r-1L^1/2|τ_z(r-1)-v_z(r-2)|^1/2sgn(τ_z(r-1)-v_z(r-2))+τ_zr

v_zr＝-λ_rLsgn(τ_zr-v_z(r-1))

其中λ₀,λ₁,...,λ_r为观测器设计系数，v_zi为辅助变量，r为根据观测器设计的最大阶数，按实际控制需求取值；

(4)将由于执行器故障引起的不确定项视为特殊扰动，建立观测器估计不确定项的大小，其中：

其中κ₁,κ₂为观测器变量，e₂＝κ₂-f，l₁,l₂为满足以下条件的观测器增益系数：

l₂≥4L₁；

(5)基于非奇异终端滑模控制方法设计控制律以保证四旋翼无人机的飞行性能，结合非奇异终端滑模控制方法，引入扰动估计值定义四旋翼无人机系统在失配扰动下的滑模面，其表达式如下：

基于上述滑模面，设计对应的控制律，其表达式如下：

其中sgn为符号函数，其取值如下所示：

(6)在无人机的控制律中加入步骤(3)和(4)所得的扰动估计值，在飞行过程中针对不匹配扰动和执行器故障进行补偿，保证飞行的稳定。