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。如何在复杂环境下实现无人机的稳定控制值得进一步研究。滑模控制是抑制外界扰动和不确定性的一种有效的非线性控制方法，其表现为控制的不连续性，可根据系统当前的状态，有目的地不断变化，使系统按照预定的滑模面运动。但滑模控制在到达滑模面之前的趋近过程中没有抗扰动能力，于是有学者提出了积分滑模控制来消除趋近过程。但是由于符号函数的存在，滑模控制的控制量和输出都存在抖振现象，且需要抑制的干扰越大，抖振现象越明显，这种现象在许多执行机构当中是不可容忍的。扩张状态观测器是估计系统所受扰动的有效方式，能够根据扰动的变化对系统控制量进行补偿，减小外界扰动对系统控制的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于扩张状态观测器的的四旋翼无人机积分滑模控制方法，通过扩张状态观测器估计外界扰动，补偿积分滑模控制器，进一步加强无人机的抗扰动能力。本专利技术技术方案提供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。而且，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。而且，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。而且，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为俯仰角的控制输入矩阵。而且，设计姿态角的积分滑模控制器，包括设置滚转角的控制器的控制率为其中，为系统t时刻滚转角的状态误差，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，σφ(t)为滚转角控制的滑模面，Bφ为俯仰角的控制输入矩阵。而且，设计扩张状态观测器，包括设俯仰角通道的状态表达式为，其中，设分别为状态向量x1,x2,x3,x4的一阶导数，L表示每个旋翼到无人机质心的距离，f(ξ)为飞行器受到外界干扰的响应；针对滚转角通道设计的扩张状态观测器为，其中，z1,z2,z3,z4为x1,x2,x3,x4的估计值，e为ESO的观测误差，fal(e,ε,δ),(ε＝α1,α2,α3)为饱和函数，ε,δ为fal函数的参数，β1,β2,β3,β4为扩张状态观测器增益的参数；当前的实时控制量为，其中，ueq(t)为使用LQR算法的连续等效控制项，使系统到达期望状态；usw(t)为非连续的切换控制项。而且，设计扩张状态观测器，包括设滚转角通道的状态表达式为，其中，设分别为状态向量x1,x2,x3,x4的一阶导数，L表示每个旋翼到无人机质心的距离，f(ξ)为飞行器受到外界干扰的响应；针对滚转角通道设计的扩张状态观测器为，其中，z1,z2,z3,z4为x1,x2,x3,x4的估计值，e为ESO的观测误差，fal(e,ε,δ),(ε＝α1,α2,α3)为饱和函数，ε,δ为fal函数的参数，β1,β2,β3,β4为扩张状态观测器增益的参数；当前的实时控制量为，其中，ueq(t)为使用LQR算法的连续等效控制项，使系统到达期望状态；usw(t)为非连续的切换控制项。本专利技术提出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，能够抑制模型不确定性和外界干扰对控制效果的影响；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，能够确保积分滑模控制不出现抖振现象，进一步增强积分滑模控制的抗扰动能力。本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。附图说明图1是本专利技术实施例基于扩张状态观测器的积分滑模控制器的原理图；图2是本专利技术实施例分别采用三种控制算法时，无人机位移曲线的对比图；图3是本专利技术实施例分别采用三种控制算法时，无人机姿态曲线的对比图；图4是本专利技术实施例采用积分滑模控制和基于扩张状态观测器的积分滑模控制时，无人机姿态的稳态误差曲线图；图5是本专利技术实施例扩张观测器估计的外界干扰与实际外界干扰的对比曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解该专利技术。本专利技术实施例提出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。参见图1，本专利技术实施例的基于扩张状态观测器的积分滑模控制器中，滚转角的期望值θd作为积分滑模控制器ISMC的输入信号；ISMC输出的控制量作为无人机Plant和扩张状态观测器ESO的控制输入；无人机的实际滚转角θ反馈输入到ISMC与ESO之中；z4为ESO估计出的系统总扰动，乘以系数1/ω后输入到ISMC中，ω表示无人机电机的脉冲宽度调制(PWM信号)带宽。实施例中，针对该控制器的设计进行包括以下步骤本文档来自技高网...

【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