[发明专利]一种火星阵风强干扰环境下四旋翼飞行器的姿态控制方法

权利要求书

1.一种火星阵风强干扰环境下四旋翼飞行器的姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立四旋翼飞行器的姿态动力学模型；

步骤2、构建外环控制器和内环控制器，其中，外环控制器包括外环非线性扩张状态观测器和外环非线性控制器，内环控制器包括内环非线性扩张状态观测器和内环非线性控制器；

步骤3、实际控制中，外环非线性扩张状态观测器以外环非线性控制器输出的角速度期望值和四旋翼飞行器输出的角度反馈值为输入，计算得到输出的状态估计值外环非线性控制器以直接输入的期望角度、四旋翼飞行器输出的角度以及状态估计值为输入，计算得到角速度期望值v_j作为输出；内环非线性扩张状态观测器以四旋翼飞行器输出的角速度反馈值和内环非线性控制器输出的控制量为输入，计算得到输出的状态估计值内环线性控制器以外环控制器输出的角速度期望值、四旋翼飞行器输出的角速度反馈值及内环非线性扩张状态观测器输出的状态估计值为输入，计算得到输出的四旋翼飞行器的控制量u_i；将控制量u_i输入到四旋翼飞行器的姿态动力学模型中实现对四旋翼飞行器的控制。

2.根据权利要求1所述的姿态控制方法，其特征在于，所述步骤2中的外环非线性扩张状态观测器的构造形式如下所示：

其中，y₁＝η＝[φ,θ,ψ]^T＝[y_1j]_3×1∈R^3×1,j＝φ,θ,ψ和y₂＝[y_2j]_3×1∈R^3×1,j＝φ,θ,ψ分别表示外部扰动值，φ为四旋翼飞行器的俯仰角，θ为四旋翼飞行器的滚转角，ψ为四旋翼飞行器的偏航角，和分别表示y₁和y₂所对应的状态估计值，v_j表示外环非线性控制器的输出值，为状态估计值的一阶导数值，为状态估计值的一阶导数值，β_1j和ε_1j均为正的可调节的常数，为非线性函数其表达式为：

其中，σ为正的可调节常数。

3.根据权利要求2所述的姿态控制方法，其特征在于，所述外环非线性控制器的构造形式如下所示：

其中，e_η＝η-η_d＝[e_ηj]_3×1∈R^3×1,j＝φ,θ,ψ为俯仰角、滚转角和偏航角的误差值；k_0j,k_1j,k_2j均为正常数；为可调整的正常数；v_j为外环非线性控制器输出的角速度期望值。

4.根据权利要求1所述的姿态控制方法，其特征在于，所述内环非线性扩张状态观测器的构造形式如下所示：

其中，α_1i、α_2i和ε_0i均为非负常数，为非线性函数，和分别为x_1i和x_2i两个状态的估计值，b_i为各通道转动惯量的倒数，p,q,r为四旋翼飞行器在机体坐标系下的角速度。

5.根据权利要求1所述的姿态控制方法，其特征在于，所述内环非线性控制器的构造形式如下所示：

其中，e_Ω＝ω-ω_r＝[e_ωi]_3×1∈R^3×1为三个通道角速度的误差值，k_pi,k_di,k_Ni分别为比例项、微分项和非线性项的正常数，为各通道转动惯量的倒数，为非线性函数。