[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

说明书

本发明公开了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，首先建立四旋翼无人机的动力学模型，针对失配扰动设计扰动观测器，在一定时间内估计处扰动出现的时间和数值大小；针对执行器故障设计故障观测器，估计出执行器故障引起的不确定项大小，基于非奇异终端滑模控制方法设计控制律，并在控制律中加入扰动和不确定项的估计值，在遇到扰动和发生故障时可以及时的补偿从而实现稳定的飞行，相比于现有控制方案能够提高四旋翼无人机的飞行控制性能，更适用于实际飞行过程。

技术领域

本发明涉及四旋翼无人机控制方法，尤其涉及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。

背景技术

由于四旋翼无人机具有垂直起降，悬停能力和高速机动性等优势，在商业，军事，民用和工业领域都有广泛的应用，但由于无人机的控制存在耦合度高，非线性，不稳定和参数不确定性，在实际飞行中往往难以达到预期的控制目标。为了提升无人机控制的渐进性能已经提出了多种控制方案，包括滑模控制、反推、自适应和模糊控制方案。为了满足四旋翼飞行器的任务要求，高精度姿态控制必不可少，然而无人机飞行过程中会遇到不确定的外界因素干扰，导致跟踪不准确，从而不能实现对无人机的高精度姿态控制甚至影响正常飞行，如侧风扰动就是影响无人机姿态控制的外界因素之一，由于四旋翼无人机是四转子欠驱动和非线性耦合系统，当无人机遭受扰动的影响时，传统的控制方案难以实现要求的控制性能，因此，消除由外部干扰和模型不确定性引起的不利影响，发展防干扰方法已成为控制理论和应用领域的首要问题。基于扰动观测器的控制(DOBC)方案受到越来越多的关注，并已广泛应用于各种系统中，以消除外部扰动和模型不确定性。

DOBC方法通常会构造用于估计未知干扰的观测器和具有常规反馈控制器的前馈干扰补偿器，具有鲁棒性强，结构简单，可根据对控制性能的要求设计不同的控制规律，易于在线整定和工程实现等优点。在系统状态空间模型中，扰动可分为匹配扰动和失配扰动(扰动和约束输入通过不同的通道进入系统)。现有的DOBC方法通常将针对不同扰动的扰动观测器与非线性控制方案集成对无人机进行姿态控制，能够取得较好的控制效果，但这样的方法仅限于解决含有不确定性的系统，并且仅取决于匹配条件，这些干扰通过与控制输入相同的通道作用于系统，但在无人机的实际飞行中，失配扰动的存在更为普遍，严重影响系统的稳定性，因此应用现有的DOBC方法对无人机进行飞行控制容易因为系统受失配扰动影响而造成执行器故障。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供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以降低实际飞行中频繁遇到的失配扰动对控制精度的影响。

技术方案：本发明的基于扰动观测器控制的四旋翼无人机抗干扰控制方法包括以下步骤：

(1)建立六自由度的四旋翼无人机动力学等效模型；

(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；

(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；

(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；

(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；

(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。

步骤(1)中动力学等效模型如下：