[发明专利]一种变负载下四旋翼无人机的高度控制方法

权利要求书

1.一种变负载下四旋翼无人机的高度控制方法，其特征在于，所述方法基于高度-速度双闭环控制框架，采用自抗扰算法进行高度控制；其中：所述高度-速度双闭环控制框架由外环高度控制模块和内环速度控制模块构成：所述外环高度控制模块由跟踪微分器、高度非线性控制器和高度测量单元构成；所述内环速度控制模块由扩张状态观测器、速度非线性误差反馈控制器和速度测量单元构成；所述高度-速度双闭环控制框架通过如下步骤实现变负载下四旋翼无人机的高度控制：

步骤1：为简化分析，用欧拉拉格朗日方法对四旋翼无人机悬挂负载进行二维建模，生成高度模型，即：

其中：u(t)是控制输入，b₀是可调控制增益，f(t)表示四旋翼无人机所受的总扰动；

步骤2：二阶跟踪微分器根据高度模型对输入的高度信号安排过渡过程，所述二阶跟踪微分器为：

其中：v₁(t)为输出的跟踪信号，v₂(t)为跟踪信号的微分信号，r为速度因子，a_i,b_i为可调参数；a为幅值增益，可以调节函数的幅值大小，a越大，幅值越大；b为指数因子，可以调节函数线性区段的范围，b越大，线性区段越窄；

步骤3：所述扩张状态观测器根据高度模型中的总扰动进行实时估计；

步骤4：所述内环速度非线性误差反馈控制器对纵向速度进行控制并对估计出的总扰动进行实时补偿，即：

其中：速度误差σ(t)＝χ(t)-z₁(t)，χ(t)为外环的输出，同时它为内环的期望速度；k_p1为可调控制器增益；b₀与扩张状态观测器中相对应，可以调节对扰动补偿的强弱；

步骤5：所述外环高度非线性控制器通过引入非线性函数进行设计从而保证高度收敛的速度与精度，即：

其中：χ(t)为高度外环控制器输出，高度误差ζ(t)＝v₁(t)-z(t)；高度误差的微分λ₁、λ₂∈[0,1]，λ₁和λ₂是决定控制器非线性程度的值，其值越小，非线性度越高；k_p2和k_d2是两个可调的控制器增益。