[发明专利]一种基于自抗扰控制的三旋翼姿态控制方法

摘要

一种基于自抗扰控制的三旋翼姿态控制方法，该方法包括确定三旋翼飞行器的数学模型；确定模型合适的输入输出变量；跟踪微分器的设计，扩张状态观测器的建立，非线性误差反馈率的选择。本发明采用的是基于Atmega2560的核心控制板作为执行模块通过驱动电路给电机供电，通过PWM波可以调节电机转速的大小；并且将一组由三轴陀螺仪传感器、加速度计、GPS、数字罗盘构成；而电源模块通过电源分配模块给各个模块提供合适的电压进行供电。针对三旋翼飞行器模型，通过调整各模块的参数使自抗扰控制方法有一个良好的效果。本发明通过一种自抗扰控制系统，通过各个模块的设计及其参数的调整使三旋翼在空中能够保持一个良好的飞行状态。

主权项

一种基于自抗扰控制的三旋翼姿态控制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一，三旋翼模型的机械结构确定，将这三旋翼模型的机械结构作为被控对象进行分析，确定被控对象的输入输出量及控制量：式中，x,y,z表示飞行器在X,Y,Z轴上的位移偏移量，θ,ψ表示当前飞行器在X,Y,Z三个轴上角度的偏移量，即分别表示俯仰角，横滚角，偏航角；相应的，表示在X,Y,Z三个轴上的位移加速度，表示飞行器绕着三轴上的角加速度；u(1),u(2),u(3),u(4)则表示Z轴和解耦后三个电机通过线性组合后对于三轴上姿态改变的直接输入量；Ix,Iy,Iz表示飞行器在X,Y,Z三个轴上的转动惯量；m,g分别表示飞行器的质量以及地球的重力加速度；步骤二，通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器TD对被控对象的参考输入安排过渡过程并提取它的微分信号；d=γh2a0=hx2y=x1+a0a1=d(d+8|y|)a2=a0+sign(y)·(a1-d)/2a=(a0+y)fsg(y,d)+a2(1-fsg(y,d))fhan=-γ(a/d·fsg(a,d)-γsign(a)(1-fsg(a,d))---(7)]]>v·1=v·2v·2=-fhan(x1,x2,γ,h)---(8)]]>式中分别表示跟踪微分器经过跟踪输入信号得出的两个输出跟踪信号；a为速度因子，a越大，其跟踪微分器输出x1就越接近原始信号，当a大到一定程度时候，微分输出x2会出现抖动的现象；γ和h为需要调节的参数，γ影响TD的跟踪速度，γ加大则跟踪加快，但是如果γ过大则跟踪的微分信号会出现超调，h为微积分步长，步长越小跟踪越精确；步骤三，通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器对三旋翼飞行器飞行状态中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计；e=z1-yz·1=z2-β01fal(e,α,δ)z·2=z3-β02fal(e,α,δ)+b0uz·3=-β03fal(e,α,δ)---(9)]]>为避免高频颤振现象的出现，式中取得函数fal(e,α,δ)在原点附近具有线性段的连续的幂次函数：fal(e,α,δ)=e/δα-1|e|<=δ|e|αsign(e)|e|>δ---(10)]]>式中，y为控制系统最后的输出值，z1,z2,z3为扩张状态观测器观测的三个输出值，α为0到1之间的常数，α越小，跟踪越快，但滤波效果会变差；δ为影响滤波效果的常数，δ越大，滤波效果越好；β01,β02,β03为选取的参数；适当的增大β01抑制过渡过程中出现的超调，适当的增大β02加快响应速度，缩短过渡过程，β03还决定着对扰动估计滞后的大小，β03越大则扰动就越小，但β03过大的话会引起估计值振荡；通过对自抗扰控制器的每个模块进行设计和参数整定之后，用来控制飞行器的姿态；步骤四，通过自抗扰控制中的非线性状态误差反馈律来构成系统的控制量；为了更有效地把fhan(x1,x2,γ,h)用于状态反馈中，引入阻尼因子c来把fhan(x1,x2,γ,h)中的变量x2改成cx2,得fhan(x1,cx2,γ,h)；步骤五，在控制过程中对各部分的参数进行调整，从而对三旋翼模型姿态控制有一个良好的效果；在三旋翼飞行器上的惯导模块测量出飞行器此时的俯仰角、横滚角、偏航角，通过扩张状态观测器得出z1、z2、z3，z1、z2作为反馈量与输入量经过跟踪微分器的v1、v2的差值经过非线性状态误差反馈律运算与z3的差值通过倍数b0，得到模型的输入量，输入量通过PWM波控制三个电机的转速，对于已经解耦的三旋翼模型中，通过俯仰，横滚，偏航三个通道对于三旋翼模型实施姿态上的调整，从而达到理想的目标状态。