无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器技术

本发明专利技术提供了一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器，涉高速飞行器控制技术领域，包括：获取检测的四旋翼飞行器的飞行参数；将所述飞行参数输入至鲁棒控制器，所述鲁棒控制器包括：PD控制器和鲁棒补偿器；将所述PD控制器和所述鲁棒补偿器导入四旋翼飞行器模型中，得到目标控制量；按照所述目标控制量控制所述四旋翼飞行器。本发明专利技术提供了一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器，由实现期望跟踪性能的PD控制器和用来抑制不确定性的影响的鲁棒补偿器来控制四旋翼飞行器，控制方法简便易用，实现了良好的动态和稳态跟踪性能。

【技术实现步骤摘要】
无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器
本专利技术涉及无人飞行器姿态控制
，尤其是涉及一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器。
技术介绍
无人飞行器适用于危险和难以进入环境中的遥感，监视，运输和矿物勘探等应用。与传统直升机相比，四旋翼飞行器具有以下优点：取消了传统直升机的尾翼，四个旋翼配对以相反方向旋转从而抵消了力矩。此外，四个旋翼增加了四旋翼飞行器的机动性和有效载荷能力，且四旋翼可以在没有复杂的机械联动控制下改变气动力和力矩。国内外学者对四旋翼的姿态和位置控制器的设计已经有了许多研究。直升机动力学涉及参数摄动、非线性、耦合和外部干扰等不确定性。Altug以及Hoffmann等人分别设计了比例·微分(PD)和比例·积分·微分(PID)控制器来完成对旋翼无人机的姿态控制，但闭环系统的跟踪性能未考虑不确定性的影响。Castill等人使用基于嵌套饱和度的非线性控制方法完成了对微型四旋翼飞行器的实时稳定跟踪。Bertrand等人使用单调扰动理论设计了微型VTOL无人机的分级控制器。Tayebi等人使用非线性反馈的分层控制方法控制律完成了对VTOL四旋翼飞行器的姿态稳定设计，这些方法适用于基于准确直升机模型来设计非线性控制器的情况，设计时考虑了非线性动力学和耦合的影响，但并未充分讨论如何限制参数不确定性和未建模不确定性的影响。Alexis等人设计了一种切换模型预测应用控制器和命令滤波控制器，分别实现了四旋翼的姿态控制和位置控制，设计中考虑的不确定性仅局限于模拟或实验中的时间不变性，其他类型不确定性对跟踪性能的影响在其闭环系统的稳定性分析中没有得到充分讨论。综上所述，目前国内外学者设计的四旋翼飞行器控制器并不能完善的考虑到多重不确定性对飞行器的影响，不同的设计方法各有其局限之处。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器，以缓解现有的四旋翼飞行器的设计不能完善地考虑到多重不确定性对飞行器的影响，导致其跟踪性能较差的技术问题。第一方面，本专利技术实施例提供了一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法，包括：获取检测的四旋翼飞行器的飞行参数；将所述飞行参数输入至鲁棒控制器，所述鲁棒控制器包括：PD控制器和鲁棒补偿器；将所述PD控制器和所述鲁棒补偿器导入四旋翼飞行器模型中，得到目标控制量；控制所述四旋翼飞行器按照所述目标控制量飞行。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述飞行参数包括：俯仰角、滚动角和偏航角；所述目标控制量包括：俯仰角、滚动角和偏航角的输出量。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述四旋翼飞行器模型为：其中，θ(t)是俯仰角，φ(t)是滚动角，ψ(t)是偏航角；ai(i＝θ,φ,ψ)是正数；ωi(t)(i＝1,2,3,4)分别是四个旋翼的转速；ui(t)(i＝1,2,3)为控制输入，b1＝aθlrgkω,b2＝aφlrgkω,b3＝aψkfmkω，lrg为每个电动机与机体质心的距离，kfm为力到力矩的比例系数；是bi(i＝1,2,3)的标称参数；qi(t)(i＝1,2,3)为等效干扰。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述鲁棒控制器的控制律为：其中，为PD控制器的控制输入；为鲁棒补偿器的控制输入。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述PD控制器的控制律为：其中，ri(t)(i＝1,2,3)为俯仰角、滚动角和偏航角的参考信号，为ri(t)(i＝1,2,3)的二阶导数；x1(t)＝θ(t)-r1(t),x2(t)＝φ(t)-r2(t),x3(t)＝ψ(t)-r3(t),X(t)＝[x1(t),x2(t),…,x6(t)]T；K为所述PD控制器参数矩阵，为三个通道比例控制系数，为三个通道微分控制系数。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述鲁棒补偿器的控制律为：uRC(s)＝-F(s)q(s)＝-diag(F1(s),F2(s),F3(s))q(s)其中，s是拉普拉斯算子，Fi(s)(i＝1,2,3)是鲁棒滤波器的表达矩阵；F(s)为Fi(s)(i＝1,2,3)的对角矩阵。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述鲁棒滤波器的函数表达式为：其中，gi1和gi2(i＝1,2,3)为鲁棒补偿器参数。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，用于计算等效扰动q(t)的四旋翼飞行器的误差模型：其中，结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，根据求解得到的等效扰动q(t)和所述鲁棒补偿器的控制律得到的表达式：其中，zi1(i＝φ,θ,ψ)和zi2(i＝φ,θ,ψ)为中间状态量。第二方面，本专利技术实施例还提供一种无人飞行器，包括存储器、处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法的步骤。本专利技术实施例带来了以下有益效果：本专利技术实施例提供一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器，由实现期望跟踪性能的PD控制器和用来抑制不确定性的影响的鲁棒补偿器来控制四旋翼飞行器，控制方法简便易用，实现了良好的动态和稳态跟踪性能。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的无人飞行器的鲁棒姿态控制方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的四旋翼飞行器的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的鲁棒姿态控制系统框图；图4为本专利技术实施例提供的四旋翼飞行器的飞行控制原理图；图5为本专利技术实施例情况1中PD控制器的姿态角响应；图6为本专利技术实施例情况1中鲁棒控制器的姿态角响应；图7为本专利技术实施例情况2中鲁棒控制器的姿态角响应。图标：11-PD控制器；12-鲁棒补偿器。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。目前，现有的四旋翼飞行器的设计不能完善地考虑到多重不确定性对飞行器的影响，导致其跟踪性能较差，基于此，本专利技术实施例提供的一种一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器，由实现期望跟踪性能的PD控制器和用来抑制不确定性的影响的鲁棒补偿器来控制四旋翼飞行器，控制方法简便易用，实现了良好的动态和稳态跟踪性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法，其特征在于，包括：获取检测的四旋翼飞行器的飞行参数；将所述飞行参数输入至鲁棒控制器，所述鲁棒控制器包括：PD控制器和鲁棒补偿器；将所述PD控制器和所述鲁棒补偿器导入四旋翼飞行器模型中，得到目标控制量；控制所述四旋翼飞行器按照所述目标控制量飞行。

【技术特征摘要】
1.一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法，其特征在于，包括：获取检测的四旋翼飞行器的飞行参数；将所述飞行参数输入至鲁棒控制器，所述鲁棒控制器包括：PD控制器和鲁棒补偿器；将所述PD控制器和所述鲁棒补偿器导入四旋翼飞行器模型中，得到目标控制量；控制所述四旋翼飞行器按照所述目标控制量飞行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞行参数包括：俯仰角、滚动角和偏航角；所述目标控制量包括：俯仰角、滚动角和偏航角的输出量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述四旋翼飞行器模型为：其中，θ(t)是俯仰角，φ(t)是滚动角，ψ(t)是偏航角；ai(i＝θ,φ,ψ)是正数；ωi(t)(i＝1,2,3,4)分别是四个旋翼的转速；ui(t)(i＝1,2,3)为控制输入，b1＝aθlrgkω,b2＝aφlrgkω,b3＝aψkfmkω，lrg为每个电动机与机体质心的距离，kfm为力到力矩的比例系数；是bi(i＝1,2,3)的标称参数；qi(t)(i＝1,2,3)为等效干扰。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述鲁棒控制器的控制律为：其中，为PD控制器的控制输入；为鲁棒补偿器的控制输入。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述PD控制器的控制律为：其中，ri(t)(i＝1,2,3)为俯仰角、滚动角和偏航角的参考信号，为ri(t)(i＝1,2,3)的二阶导数；x1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昊，彭发醇，蔡国飙，刘德元，赵万兵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11