一种基于模糊扩张状态观测器的四旋翼无人机反馈线性化控制方法。包括：建立四旋翼无人机系统模型，初始化系统状态以及控制器参数；设计跟踪微分器；设计非线性扩张状态观测器；建立模糊规则；设计反馈线性化控制器。设计扩张状态观测器，用于估计系统模型不确定以及外部扰动，通过极点配置法来确定扩张状态观测器参数的初值，引进模糊规则，对扩张状态观测器参数进行在线整定；通过反馈线性化，使得闭环系统近似为线性系统，提高了系统的稳定性，保证系统跟踪误差快速稳定并收敛至零点，实现四旋翼无人机快速稳定的位置跟踪及姿态调整。本发明专利技术解决了系统存在模型不确定及外部扰动，改善了系统性能，实现了系统快速稳定的位置跟踪及姿态调整。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于模糊扩张状态观测器的四旋翼无人机反馈线性化控制方法，针对存在耦合非线性项，易受到外部干扰的四旋翼无人机系统，实现具有良好精度的位置跟踪和姿态控制。
技术介绍
近年来旋翼无人机成为国内外前沿学者的研究热点之一，四旋翼无人机作为一种典型的旋翼式无人机，以其体积小、机动性能好、设计简单、无人员伤亡风险、制造成本低廉等优点，广泛应用于航模产业、航空拍摄、电力安防、海洋监测、气象探测、城市消防、农林作业、森林防火、缉毒和应急救援等民用和军用领域，应用前景极为广阔。因此，加强无人机领域的科研力度，设计出高性能的无人机的控制方案具有十分重要的现实意义。四旋翼无人机作为旋翼无人机的一种，具有非线性、欠驱动、强耦合以及静不稳定特点。对于这类复杂系统，实现高效稳定的控制存在一定难度。同时，旋翼无人机体积小且重量轻，飞行中易受外部干扰，状态信息难以准确获取，将使控制难度加大。此外，目前无人机的飞行控制仍需要操作人员参与，无法实现真正的无人化。因此，多个耦合变量之间的解耦方案设计，对系统受到的外部干扰进行估计并补偿等问题，实现四旋翼无人机的高性能自主控制，已经成为一个亟待解决的问题。为了估计系统的模型不确定及外部干扰，韩京清提出了自抗扰控制技术，其核心部分扩张状态观测器(ExtendedStateObserver，ESO)，是在状态观测器的基础上扩张了一个状态变量，该状态变量用于估计作用于系统的所有外部扰动。因此，扩张状态观测器能估计系统中所有的模型不确定项以及外部干扰，从而这些干扰进行有效的补偿，减弱甚至消除外部干扰对系统性能的影响。由于扩张状态观测器的有效性和实用性，国内外很多学者的研究成果都是基于ESO估计的状态估计。其中线性扩张状态观测器由于其简单的结构，得到了广泛的应用。但目前为止，扩张状态观测器的参数主要基于工程经验来进行选择。
技术实现思路
为了克服现有技术系统部分状态及扰动不可测、扩张状态观测器参数难以整定等问题，本专利技术提出一种基于模糊扩张状态观测器的四旋翼无人机反馈线性化控制方法，设计扩张状态观测器(ExtendedStateObserver,ESO)估计系统状态及外部扰动等不可测项并对其进行补偿，同时引入模糊规则，对扩张状态观测器参数进行在线整定，最后设计反馈线性化控制器，实现四旋翼无人机快速稳定的位置跟踪及姿态调整。为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：一种基于模糊扩张状态观测器的四旋翼无人机反馈线性化控制方法，包括以下步骤：步骤1：建立如式(1)所示的系统运动方程；其中，x,y,z为在地面坐标系下无人机相对于原点的坐标φ,θ,ψ分别代表无人机的俯仰角，横滚角，偏航角。U1表示作用在四旋翼无人机上的合外力。p为无人机的俯仰角角速度，为俯仰角角加速度，q为无人机的横滚角角速度，为横滚角角加速度，r为无人机的偏航角角速度，为偏航角角加速度，m为无人机的质量，Ix，Iy，Iz分别为x,y,z轴上的惯性张量，τx，τy，τz分别为x,y,z轴上的力矩。步骤2：将式(1)改写为便于观测器实现的形式；其中，Δf(·)项、d(·)项分别代表模型不确定以及外部干扰；将式(2)进一步改写为其中，定义状态变量：z1＝χ，式(1)改写为其中，状态变量χ存在连续的一阶导数、二阶导数,模型不确定ΔF(χ,t),外部扰动D(t)满足|ΔF(χ,t)+D(t)|<h0，h0为某一常值；步骤3：设计二阶跟踪微分器；其中，Vd＝[xdydzdφdθdψd]T，(·)d为期望信号，为输入信号Vd的跟踪信号，为输入信号Vd的一阶微分信号，r>0为速度因子；步骤4:设计线性扩张状态观测器，过程如下：4.1基于扩张观测器的设计思想，定义扩张状态z3＝ΔF(χ,t)+D(t)，则式(4)改写为以下等效形式：其中，N＝(ΔF(χ,t)+D(t))；4.2令wi，i＝1,2,3分别为式(5)中状态变量zi的观测值，定义跟踪误差其中为期望信号，观测误差为eoi＝wi-zi，则设计线性扩张状态观测器表达式为：其中，βi＝[βxi，βyi，βzi，βφi，βθi，βψi]T，i＝1,2,3为观测器增益参数，需用极点配置法及模糊控制律确定；步骤5：运用极点配置法确定观测器增益参数β1，β2，β3的初值，过程如下：5.1令δ1＝z1-w1，δ2＝z2-w2，δ3＝h-w3，则式(5)减去式(6)得将式(7)写为以下状态空间方程形式其中，的单位矩阵，的零矩阵；5.2设计补偿矩阵：则式(8)写为使式(9)在扰动h的作用下渐近稳定的必要条件是补偿矩阵A的特征值全部落在复平面的左半平面上，即式(9)的极点充分的负，由此，根据极点配置法，选定期望的极点pi(i＝1～18)，使参数β1，β2，β3满足：其中，I为与矩阵A同维数的单位矩阵，令左右两边关于s的多项式的各项系数相等，则分别求出参数β1，β2，β3的值；步骤6：引入模糊规则；以观测误差eo1，eo2为性能指标，设计模糊控制规则在线整定β1、β2、β3；；步骤7：根据反馈线性化的思想设计控制器U，过程如下：7.1，反馈线性化扰控制器如下：其中，Ki＝[Kxi，Kyi，Kzi，Kφi，Kθi，Kψi]T，i＝1,2为控制器增益，运用极点配置法确定观测器增益参数K1,K2的取值；7.2，闭环系统稳定性分析：由式(4)和式(13)得到闭环系统的状态方程：其中，Zs＝[z1z2]T，令ec＝R-Zs，其中可由下式表达：控制器U可改写为：由式(12)，式(13)，式(14)得：由式(9)和式(15)得到：由式(21)看出，由于h是有界的，闭环系统的稳定性由As-Bs*Ks和A这两个矩阵的特征值决定。只要通过极点配置使As-Bs*Ks和A这两个矩阵的特征值位于合适的位置，就能保证系统稳定且系统跟踪误差和观测误差收敛至零；7.3，运用极点配置法确定控制器增益参数K1,K2的取值：使式(16)渐近稳定的必要条件是As-Bs*Ks和A这两个矩阵的特征值全部落在复平面的左半平面上，即式(16)的极点充分的负，其中A矩阵已经进行过极点配置。由此，根据极点配置法，选定期望的极点pi(i＝1～12)，使参数K1,K2满足其中，I0为与矩阵(As-Bs)同维数的单位矩阵，令左右两边关于s的多项式的各项系数相等，则分别求出参数K1,K2的值。进一步，所述步骤6中，以观测误差eo1，eo2为性能指标，设计模糊控制规则在线整定β1、β2、β3；其中，模糊变量分别为eo1，eo2；Δβ1、Δβ2、Δβ3代表模糊规则输出量，并在其各自论域上分别定义5个语言子集为{“负大(NB)”，“负小(NS)”,“零(ZO)”，“正小(PS)”，“正大(PB)”本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于模糊扩张状态观测器的四旋翼无人机反馈线性化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立如式(1)所示的系统运动方程；x··=(sinψsinφ+cosψsinθcosφ)U1my··=(-cosψsinφ+sinψsinθcosφ)U1mz··=(cosθcosφ)U1m-gp·=Iy-IzIxqr+τxIxq·=Iz-IxIypr+τyIyr·=Ix-IyIzpq+τzIz---(1)]]>其中，x,y,z为在地面坐标系下无人机相对于原点的坐标φ,θ,ψ分别代表无人机的俯仰角，横滚角，偏航角；U1表示作用在四旋翼无人机上的合外力；p为无人机的俯仰角角速度，为俯仰角角加速度，q为无人机的横滚角角速度，为横滚角角加速度，r为无人机的偏航角角速度，为偏航角角加速度，m为无人机的质量，Ix，Iy，Iz分别为x,y,z轴上的惯性张量，τx，τy，τz分别为x,y,z轴上的力矩；步骤2：将式(1)改写为便于观测器实现的形式；x··=Ux+Δfx+dxy··=Uy+Δfy+dyz··=Uz+Δfz+dzφ··=a1θ·ψ·+τxIx+Δfφ+dφθ··=a2φ·ψ·+τyIy+Δfθ+dθψ··=a3θ·φ·+τzIz+Δfψ+dψ---(2)]]>其中，Δf(·)项、d(·)项分别代表模型不确定以及外部干扰；将式(2)进一步改写为χ··=B*U+ΔF(χ,t)+D(t)Y=χ---(3)]]>其中，定义状态变量：z1＝χ，式(1)改写为z·1=z2z·2=B*U+ΔF(χ,t)+D(t)---(4)]]>其中，状态变量χ存在连续的一阶导数、二阶导数,模型不确定ΔF(χ,t),外部扰动D(t)满足|ΔF(χ,t)+D(t)|<h0，h0为某一常值；步骤3：设计二阶跟踪微分器；z·1*=z2*z·2*=ff=-r((r(z1*-Vd)+z2*))]]>其中，Vd＝[xd yd zd φd θd ψd]T，(·)d为期望信号，为输入信号Vd的跟踪信号，为输入信号Vd的一阶微分信号，r>0为速度因子；步骤4:设计线性扩张状态观测器，过程如下：4.1基于扩张观测器的设计思想，定义扩张状态z3＝ΔF(χ,t)+D(t)，则式(4)改写为以下等效形式：z·1=z2z·2=z3+B*Uz·3=h---(5)]]>其中，N＝(ΔF(χ,t)+D(t))；4.2令wi，i＝1,2,3分别为式(5)中状态变量zi的观测值，定义跟踪误差其中为期望信号，观测误差为eoi＝wi‑zi，则设计线性扩张状态观测器表达式为：w·1=w2+β1*eo1w·2=w3+β2*eo1+B*Uw·3=β3*eo1---(6)]]>其中，βi＝[βxi，βyi，βzi，βφi，βθi，βψi]T，i＝1,2,3为观测器增益参数，需用极点配置法及模糊控制律确定；步骤5：运用极点配置法确定观测器增益参数β1，β2，β3的初值，过程如下：5.1令δ1＝z1‑w1，δ2＝z2‑w2，δ3＝h‑w3，则式(5)减去式(6)得δ·1=δ2-β1*eo1δ·2=δ3-β2*eo1δ·3=h-β3*eo1---(7)...
【技术特征摘要】
1.一种基于模糊扩张状态观测器的四旋翼无人机反馈线性化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立如式(1)所示的系统运动方程；x··=(sinψsinφ+cosψsinθcosφ)U1my··=(-cosψsinφ+sinψsinθcosφ)U1mz··=(cosθcosφ)U1m-gp·=Iy-IzIxqr+τxIxq·=Iz-IxIypr+τyIyr·=Ix-IyIzpq+τzIz---(1)]]>其中，x,y,z为在地面坐标系下无人机相对于原点的坐标φ,θ,ψ分别代表无人机的俯仰角，横滚角，偏航角；U1表示作用在四旋翼无人机上的合外力；p为无人机的俯仰角角速度，为俯仰角角加速度，q为无人机的横滚角角速度，为横滚角角加速度，r为无人机的偏航角角速度，为偏航角角加速度，m为无人机的质量，Ix，Iy，Iz分别为x,y,z轴上的惯性张量，τx，τy，τz分别为x,y,z轴上的力矩；步骤2：将式(1)改写为便于观测器实现的形式；x··=Ux+Δfx+dxy··=Uy+Δfy+dyz··=Uz+Δfz+dzφ··=a1θ·ψ·+τxIx+Δfφ+dφθ··=a2φ·ψ·+τyIy+Δfθ+dθψ··=a3θ·φ·+τzIz+Δfψ+dψ---(2)]]>其中，Δf(·)项、d(·)项分别代表模型不确定以及外部干扰；将式(2)进一步改写为χ··=B*U+ΔF(χ,t)+D(t)Y=χ---(3)]]>其中，定义状态变量：z1＝χ，式(1)改写为z·1=z2z·2=B*U+ΔF(χ,t)+D(t)---(4)]]>其中，状态变量χ存在连续的一阶导数、二阶导数,模型不确定ΔF(χ,t),外部扰动D(t)满足|ΔF(χ,t)+D(t)|<h0，h0为某一常值；步骤3：设计二阶跟踪微分器；z·1*=z2*z·2*=ff=-r((r(z1*-Vd)+z2*))]]>其中，Vd＝[xdydzdφdθdψd]T，(·)d为期望信号，为输入信号Vd的跟踪信号，为输入信号Vd的一阶微分信号，r>0为速度因子；步骤4:设计线性扩张状态观测器，过程如下：4.1基于扩张观测器的设计思想，定义扩张状态z3＝ΔF(χ,t)+D(t)，则式(4)改写为以下等效形式：z·1=z2z·2=z3+B*Uz·3=h---(5)]]>其中，N＝(ΔF(χ,t)+D(t))；4.2令wi，i＝1,2,3分别为式(5)中状态变量zi的观测值，定义跟踪误差其中为期望信号，观测误差为eoi＝wi-zi，则设计线性扩张状态观测器表达式为：w·1=w2+β1*eo1w·2=w3+β2*eo1+B*Uw·3=β3*eo1---(6)]]>其中，βi＝[βxi，βyi，βzi，βφi，βθi，βψi]T，i＝1,2,3为观测器增益参数，需用极点配置法及模糊控制律确定；步骤5：运用极点配置法确定观测器增益参数β1，β2，β3的初值，过...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，龚相华，卢敏，王音强，庄华亮，孙明轩，何熊熊，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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