不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法和装置；其中，该方法包括：采集无人机的动力系统输出的姿态角，计算姿态角与期望参考量之间的姿态角误差；根据姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值；姿态角包括滚动角、俯仰角或偏航角；根据估计值，更新标称控制信号；根据姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号；根据更新后的标称控制信号和鲁棒补偿控制信号，更新最终控制信号；根据更新后的最终控制信号，控制无人机执行姿态角对应的姿态。本发明专利技术可以抑制无人机飞行过程中非线性、耦合和外部时变干扰等多种不确定性的影响，提高无人机姿态控制的精度及鲁棒性。

Robust attitude control method and device for UAV without angular velocity feedback

The invention provides a robust attitude control method and device for unmanned aerial vehicle without angular velocity feedback, in which the attitude angle of the power system output of the unmanned aerial vehicle is collected, the attitude angle error between the attitude angle and the expected reference amount is calculated, and the attitude angle speed is generated according to the attitude angle error and the nominal control signal. The estimated value of the degree error; the attitude angle includes the rolling angle, the pitching angle or the yaw angle; according to the estimated value, the nominal control signal is updated; the robust compensation control signal is generated according to the attitude angle error and the current final control signal; the final control signal is updated according to the updated nominal control signal and the Lu Bangbu compensated control signal. According to the updated final control signal, the attitude corresponding to the attitude angle of UAV is controlled. The invention can restrain the uncertainties of the nonlinear, coupling and external time-varying interference during the UAV flight, and improve the accuracy and robustness of the UAV attitude control.

【技术实现步骤摘要】
不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法和装置
本专利技术涉及自动控制领域
，尤其是涉及一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法和装置。
技术介绍
目前，无人飞行机，尤其是四旋翼无人机，广泛地应用于侦察监视、交通监管和航空拍摄等领域，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。现有的无人飞行机具备完成各式各样任务的能力，特别是在城市环境中，无人机与固定翼飞机相比，具有悬停和垂直起降的优势。尤其是四旋翼无人机，因其不需要尾翼或复杂的机械控制联动装置来改变空气动力和力矩，在城市环境中越来越多被运用。为了使无人机准确可靠地完成各种任务，需要对其飞行姿态进行跟踪控制；现有的姿态控制方式中，可以通过基于四元数的反馈姿态控制器、开关模型预测控制器、指令滤波控制器等对无人机的姿态进行控制，通过滑模观测器等对无人机在飞行过程中可能出现的不确定性因素进行估计；但是，这种控制方式难以有效抑制这些不确定性因素，导致对无人机姿态控制的精度和鲁棒性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法、装置和四旋翼无人机，以抑制无人机飞行过程中非线性、耦合和外部时变干扰等多种不确定性的影响，提高无人机姿态控制的精度及鲁棒性。第一方面，本专利技术实施例提供了一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法，应用于四旋翼无人机的处理器，此方法包括以下步骤：采集无人机的动力系统输出的姿态角，计算姿态角与期望参考量之间的姿态角误差；根据姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值；姿态角包括滚动角、俯仰角或偏航角；根据估计值，更新标称控制信号；根据姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号；根据更新后的标称控制信号和鲁棒补偿控制信号，更新最终控制信号；根据更新后的最终控制信号，控制无人机执行姿态角对应的姿态。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，根据根据姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值的步骤，包括：通过下述公式，计算姿态角速度误差的估计值其中，li(i＝φ,θ,ψ)为预设的正参数；φ为滚动角；θ为俯仰角；ψ为偏航角；为ai的标称参数；ai＝ai1lmckω(i＝φ)；ai＝ai1lmckω(i＝θ)；ai＝ai1kfmkω(i＝ψ)；ai1为正参数；lmc为四旋翼无人机的质心和电机之间的距离，kfm为力-力矩比例因子，为正常数；kω为正常数；为标称控制信号；所述姿态角误差ei1＝i-ri；ri为姿态角的期望的参考量；计算估计值的误差其中，结合第一方面的第一种可能的实施方式，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。根据估计值，更新标称控制信号的步骤，包括：通过下述公式，计算标称控制信号其中，ki1和ki2(i＝φ,θ,ψ)为预设的正常数。结合第一方面的第二种可能的实施方式，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。根据姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号的步骤，包括：通过下述公式，计算鲁棒补偿控制信号其中，s为拉普拉斯算子；gi为预设的鲁棒滤波器参数；ui为当前的最终控制信号。结合第一方面的第三种可能的实施方式，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。根据更新后的标称控制信号和鲁棒补偿控制信号，更新最终控制信号的步骤，包括：通过下述公式，计算最终控制信号ui：结合第一方面的第四种可能的实施方式，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。根据更新后的最终控制信号，控制无人机执行姿态角对应的姿态的步骤，包括：通过下述公式，计算无人机四个旋翼的转速：再令其中，ug为预设的正常数；ω1、ω2、ω3和ω4分别为四个旋翼的转速；控制无人机四个旋翼按照对应的转速进行旋转，以使无人机执行姿态角对应的姿态。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，根据更新后的最终控制信号，控制无人机执行姿态角对应的姿态的步骤，包括：当姿态角为滚动角时，根据更新后的最终控制信号控制无人机左旋翼和右旋翼的转速，以实现滚转运动；当姿态角为俯仰角时，根据更新后的最终控制信号控制无人机前旋翼和后旋翼的转速，以实现俯仰运动；当姿态角为偏航角时，根据更新后的最终控制信号控制无人机前旋翼、后旋翼、左旋翼和右旋翼的转速，以实现偏航运动。第二方面，本专利技术实施例还提供一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制装置，此装置设置于四旋翼无人机的处理器，包括：误差采集模块，用于采集无人机的动力系统输出的姿态角，计算姿态角与期望参考量之间的姿态角误差；估计值生成模块，用于根据姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值；姿态角包括滚动角、俯仰角或偏航角；标称控制信号更新模块，用于根据估计值，更新标称控制信号；鲁棒补偿控制信号生成模块，用于根据姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号；最终控制信号更新模块，用于根据更新后的标称控制信号和鲁棒补偿控制信号，更新最终控制信号；控制模块，用于根据更新后的最终控制信号，控制无人机执行姿态角对应的姿态。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，估计值生成模块，还用于：通过下述公式，计算姿态角速度误差的估计值其中，li(i＝φ,θ,ψ)为预设的正参数；φ为滚动角；θ为俯仰角；ψ为偏航角；为ai的标称参数；ai＝ai1lmckω(i＝φ)；ai＝ai1lmckω(i＝θ)；ai＝ai1kfmkω(i＝ψ)；ai1为正参数；lmc为四旋翼无人机的质心和电机之间的距离，kfm为力-力矩比例因子，为正常数；kω为正常数；为标称控制信号；姿态角误差ei1＝i-ri；ri为姿态角的期望的参考量；计算估计值的误差其中，第三方面，本专利技术实施例提供了一种四旋翼无人机，该无人机包括处理器和传感器，上述不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制装置设置于处理器中。本专利技术实施例提供的一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法、装置和四旋翼无人机，根据姿态角误差和标称控制信号，可以生成姿态角速度误差的估计值，进而更新标称控制信号；根据姿态角误差和当前的最终控制信号，可以生成鲁棒补偿控制信号；根据更新后的标称控制信号和鲁棒补偿控制信号，可以更新最终控制信号，进而控制无人机执行姿态角对应的姿态；该方式中，通过姿态角误差估计姿态角速度误差，不依赖于姿态角速度的测量值，并通过鲁棒补偿控制信号进一步抑制无人机飞行过程中非线性、耦合和外部时变干扰等多种不确定性的影响，提高了无人机姿态控制的精度及鲁棒性。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一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法，其特征在于，所述方法应用于四旋翼无人机的处理器；所述方法包括：采集所述无人机的动力系统输出的姿态角，计算所述姿态角与期望参考量之间的姿态角误差；根据所述姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值；所述姿态角包括滚动角、俯仰角或偏航角；根据所述估计值，更新所述标称控制信号；根据所述姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号；根据更新后的标称控制信号和所述鲁棒补偿控制信号，更新所述最终控制信号；根据更新后的最终控制信号，控制所述无人机执行所述姿态角对应的姿态。

【技术特征摘要】
1.一种不依靠角速度反馈的无人机鲁棒姿态控制方法，其特征在于，所述方法应用于四旋翼无人机的处理器；所述方法包括：采集所述无人机的动力系统输出的姿态角，计算所述姿态角与期望参考量之间的姿态角误差；根据所述姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值；所述姿态角包括滚动角、俯仰角或偏航角；根据所述估计值，更新所述标称控制信号；根据所述姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号；根据更新后的标称控制信号和所述鲁棒补偿控制信号，更新所述最终控制信号；根据更新后的最终控制信号，控制所述无人机执行所述姿态角对应的姿态。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述姿态角误差和标称控制信号，生成姿态角速度误差的估计值的步骤，包括：通过下述公式，计算姿态角速度误差的估计值其中，li(i＝φ,θ,ψ)为预设的正参数；φ为滚动角；θ为俯仰角；ψ为偏航角；为ai的标称参数；ai＝ai1lmckω(i＝φ)；ai＝ai1lmckω(i＝θ)；ai＝ai1kfmkω(i＝ψ)；ai1为正参数；lmc为四旋翼无人机的质心和电机之间的距离，kfm为力-力矩比例因子，为正常数；kω为正常数；为标称控制信号；所述姿态角误差ei1＝i-ri；ri为所述姿态角的期望参考量；计算所述估计值的误差其中，3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述估计值，更新所述标称控制信号的步骤，包括：通过下述公式，计算所述标称控制信号其中，ki1和ki2(i＝φ,θ,ψ)为预设的正常数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述姿态角误差和当前的最终控制信号，生成鲁棒补偿控制信号的步骤，包括：通过下述公式，计算鲁棒补偿控制信号其中，s为拉普拉斯算子；gi为预设的鲁棒滤波器参数；ui为当前的最终控制信号。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据更新后的标称控制信号和所述鲁棒补偿控制信号，更新所述最终控制信号的步骤，包括：通过下述公式，计算所述最终控制信号ui：6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据更新后的最终控制信号，控制所述无人机执行所述姿态角对应的姿态的步骤，包括：通过下述公式，计算所述无人机四个旋翼的转速：

【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