基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，在四旋翼无人机的动力学模型和推进器模型的基础上，通过积分滑模控制得到积分滑模控制率；采用扩张状态观测器，根据四旋翼无人机系统的输入和输出对系统所受到的外界干扰进行估计，得到系统所受干扰的估计值，然后对积分滑模控制率进行补偿。本发明专利技术确保了四旋翼无人机跟踪期望输入的精度，具有很强的抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法
本专利技术属于四旋翼无人机
，具体涉及一种基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法。
技术介绍
随着航空航天技术的发展，以及人们对智能化设备越来越大的需求，无人机开始走进人们的生产、生活，甚至军事活动当中，也吸引了一大批科研工作者的注意力，致力于提高其飞行性能，并扩大其应用范围。而四旋翼无人机凭借其诸多优势，如结构简单，飞行灵活，成本较低，尤其是垂直起降等，成为了无人机研究领域中的一大热点。虽然四旋翼无人机结构相对简单，但由于其本身是欠驱动非线性系统，各状态变量间又具有很强耦合性，因此其控制相对复杂。目前，众多国内外学者对无人机的控制问题进行了研究并提出了相应方法。比例-积分-微分控制器(PID控制)和线性二次调节器(LQR)控制设计简洁灵活但对模型精度要求较高；反步法、反馈线性化能较好地解决四旋翼无人机模型中的非线性及耦合但抗扰动能力不足，从而限制了这些方法在实际控制中的应用；自适应控制、滑模控制、积分滑模控制等非线性控制方法在解决四旋翼飞行器系统模型非线性的基础上，考虑了系统中的不确定性以提高系统的控制精度。如何在复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，其特征在于：在四旋翼无人机的动力学模型和推进器模型的基础上，通过积分滑模控制得到积分滑模控制率；采用扩张状态观测器，根据四旋翼无人机系统的输入和输出对系统所受到的外界干扰进行估计，得到系统所受干扰的估计值，然后对积分滑模控制率进行补偿。

【技术特征摘要】
1.一种基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，其特征在于：在四旋翼无人机的动力学模型和推进器模型的基础上，通过积分滑模控制得到积分滑模控制率；采用扩张状态观测器，根据四旋翼无人机系统的输入和输出对系统所受到的外界干扰进行估计，得到系统所受干扰的估计值，然后对积分滑模控制率进行补偿。2.根据权利要求1所述基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，其特征在于：根据牛顿-欧拉原理得到四旋翼无人机的动力学模型，实现如下，其中，g为重力加速度，x,y,z为无人机在地球坐标系下的位置坐标，分别为x,y,z的二阶导数，m为飞行器质量，Jx,Jy,Jz分别表示x轴，y轴，z轴的转动惯量，Fi表示第i个旋翼产生的推力，L表示每个旋翼到无人机质心的距离，c为力到力矩的转换系数；φ,θ,ψ分别为飞行器的俯仰角，滚转角和偏航角，分别为φ,θ,ψ的二阶导数。3.根据权利要求2所述基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，其特征在于：对四旋翼无人机推进器进行建模，实现如下，将四个无刷直流电机近似为一个惯性环节，电机转速与旋翼产生的升力近似为线性关系，则输入电机的PWM信号与各旋翼升力之间的关系为：其中，s为拉普拉斯变换中的复变量，Fi为第i个旋翼产生的推力，ui表示输入电机的PWM信号，ω表示信号带宽，K表示正向增益，则四旋翼无人机各旋翼的总升力和升力差表示为，其中，uth,uφ,uθ,uψ为系统的四个输入信号，分别为无人机做垂直运动、俯仰运动、翻滚运动和偏航运动时电机所需的PWM信号。4.根据权利要求1所述基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，其特征在于：设计姿态角的积分滑模控制器，包括设置俯仰角的控制器的控制率为其中，为系统t时刻俯仰角的状态误差，Kc为线性二次型增益，ρ(t)为正向增益，G为系统的控制矩阵，σθ(t)为俯仰角控制的滑模面，Bθ为俯仰角的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘健，熊亦舟，冯雨丝，李坤，黎家成，梁佳成，张慧，马浩，尤润川，李昊容，成玉爽，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42