[发明专利]一种基于非线性观测器的四旋翼容错控制器设计方法

摘要

本发明提出了一种基于非线性观测器的四旋翼容错控制器设计方法，该方法建立起四旋翼无人机的动力学模型，将无人机系统分为姿态子系统和位置子系统；针对姿态子系统建立故障模型，再设计非线性故障观测器，对未知的执行器故障进行实时检测和在线估计，利用获得的故障估计信息设计基于快速非奇异终端滑模方法的容错控制器；针对位置子系统结合backstepping方法和滑模方法，通过设计中间虚拟量反解出位置子系统控制率以及期望姿态角。本发明可以使四旋翼无人机在执行器发生故障情况下仍然能跟踪期望位置和偏航角，保证俯仰角和滚转角的稳定。

主权项

1.一种基于非线性观测器的四旋翼容错控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立四旋翼无人机的动力学模型，该模型具体如下，其中，a_i为常数并且i＝1，2，3，4，5，6，7，8，9，φ代表相对于地面坐标系的侧滚角，θ代表相对于地面坐标系的俯仰角，ψ代表相对于地面坐标系的偏航角，表示侧滚角φ的角速度，表示俯仰角θ的角速度，表示偏航角ψ的角速度，表示侧滚角φ的角加速度，表示俯仰角θ的角加速度，表示偏航角ψ的角加速度；表示无人机在x方向的速度，表示无人机在y方向的速度，表示无人机在z方向的速度，表示无人机在x方向的加速度，表示无人机在y方向的加速度，表示无人机在z方向的加速度；S_(*)表示sin(*)，C_(*)表示cos(*)，U₁为侧滚角的控制输入，U₂为俯仰角的控制输入，U₃为偏航角的控制输入，U₄为位置系统的控制输入，d_i为外部扰动且i＝1，...，6，g为重力系数；S2、采用内外环设计，建立姿态子系统在无故障情况下的简化模型，该模型具体如下：其中，χ₁＝(φ θ ψ)^T，u₀为控制输入，且u₀＝diag{U₁，U₂，U₃}，d(t)为外部扰动，且d(t)＝[d₁(t)，d₂(t)，d₃(t)]^T，t代表时间，T代表转置符号；S3、建立姿态子系统的故障模型，该模型具体如下：其中，I+K＝diag{1+k1，1+k2，1+k3}，ki为故障系数，i＝1，2，3，且满足|ki|＜li，li为某正常数；S4、在考虑故障发生的情况下，建立故障观测器，根据故障观测器所产生的残差信号，对故障的真实值进行实时在线估计，具体估计公式如下：其中，为姿态角的估计值，为姿态角速率的估计值，e₁、e_2’均为估计误差，且为故障系数估计矩阵，sgn为符号函数，L为观测器增益矩阵，且L＝diag{l₁ l₂ l₃}，I为3阶单位矩阵，η为待设计参数，D为某未知常数，并用表示其估计值；S5、根据步骤S4所获得的实时故障估计信息，设计姿态子系统基于快速非奇异终端滑模方法的容错控制器；S6、设计位置子系统基于滑模backstepping方法的控制器。