[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

说明书

本发明公开了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，通过构建四旋翼飞行器的姿态动力学模型，分析其内在特征，在此基础上设计双环自抗扰非线性控制器，通过内外环的扩张状态观测器，对外部扰动进行补偿，实现四旋翼飞行器对设定好的期望姿态角的精确跟踪，从而完成对四旋翼飞行器姿态的控制。

技术领域

本发明属于无人机和自抗扰控制技术领域，具体涉及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。

背景技术

多旋翼无人机是一种非常灵活的飞行器，由于具有悬停和垂直起飞降落的特殊优势，在军事侦察、农业测绘、航拍等方面都有着广泛的应用。在过去的数十年里，如何对无人机进行有效控制一直是工业界和学术界研究的热点问题。

目前确定的火星探测科学目标主要包括确定火星上是否存在生命、了解火星气候的演变过程和历史及了解火星作为一个地质系统的起源和演化等。即便人类已经用了半个多世纪来探测火星、研究宇宙，但就目前的探测水平来看，还远远达不到对火星探测清晰明了的程度。

火星表面飞行条件恶劣、流场变化剧烈等特点对无人机性能指标要求苛刻，为保证火星无人机完成火星探测任务，亟需解决无人机无GPS条件下的飞行控制与导航以及无人机的系统集成等技术难题。在旋翼式火星无人机的飞行控制中，稀薄的火星大气会导致无人机旋翼升力随旋翼转速变化的幅度远小于在地球环境的变化幅度，因而火星无人机的飞行姿态调整过程会非常迟缓。然而火星风、尘暴等现象会严重影响火星无人机飞行的稳定性，这就要求火星无人机针对环境的变化能够做出快速调整以保证无人机的飞行安全。目前旋翼式火星无人机的控制主要是通过调整翼端路径平面(Tip path plane，TPP)与无人机质心的相对位置，来实现火星无人机的转向控制与姿态调整。

特别是四旋翼飞行器因其具有体积小、机械设计简单、飞行操作便捷等特点更是受到了多个行业的广泛关注。然而，四旋翼飞行器是一个具有强耦合和欠驱动特性的非线性系统，它具有六个自由度，但仅具有四个控制输入；同时由于其体积和重量较小，导致阵风等外部干扰对它产生的影响较大。因此，设计一种针对四旋翼系统稳定姿态的可靠控制策略是一项颇具挑战的工作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了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，实现了在模拟的火星阵风强干扰环境下对四旋翼飞行器的姿态控制。

本发明提供的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，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。

进一步地，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：