一种四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质技术

本发明专利技术涉及一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质，所述方法包括以下步骤：基于两个四元数的非线性函数，建立四旋翼无人机姿态动力学模型；基于建立的四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立非线性增广观测器；基于非线性增广观察的观测状态量依次代替四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立动态面控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。避免大角度激动飞行时产生的奇点问题，同时避免了复杂的坐标转换推到的过程，非线性增广观测器的观测误差最终有界范围要小于扰动，能够持续有界抑制扰动，同时对噪声不敏感，保证了整个控制系统的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质
本专利技术涉及四旋翼无人机
，特别涉及一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质。
技术介绍
四旋翼无人机具有垂直起降、定点悬停、机动性强、操作灵活等特点，现已被广泛应用到搜索营救、战场侦查、火场勘察、交通管制等军事及民用领域。现有的四旋翼无人机姿态控制器的姿态数学模型通常是建立在限定姿态角的变化率等于绕机体轴角速度的条件下，即默认机体轴角速度到欧拉角的转换关系矩阵为单位矩阵，然而这种默认的条件只有在飞行器悬停或者小角度飞行时才是合理的。但是，考虑四旋翼无人机应用在军事等领域时，可能需要飞行器做大角度机动飞行，即转换关系矩阵不为单位矩阵时，基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值问题，同时由于四旋翼无人机姿态数学模型中存在不确定性项以及遭受外扰量，控制性能会降低。
技术实现思路
为此，需要提供一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法及存储介质，解决现有的四旋翼无人机姿态动力学模型基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值的问题，以及由于四旋翼无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n基于两个四元数的非线性函数，建立四旋翼无人机姿态动力学模型；/n基于建立的四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立非线性增广观测器；/n基于非线性增广观察的观测状态量依次代替四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立动态面控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于两个四元数的非线性函数，建立四旋翼无人机姿态动力学模型；
基于建立的四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立非线性增广观测器；
基于非线性增广观察的观测状态量依次代替四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立动态面控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。


2.根据权利要求1所述基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法，其特征在于，所述“基于两个四元数的非线性函数，建立四旋翼无人机姿态动力学模型”具体包括以下步骤：
根据四旋翼无人机所受的合外力矩MT包括控制力矩U、科氏力矩Mc、以及不确定性因素力矩Δ，确定四旋翼无人机的姿态动力学模型为ω为在机体坐标EB下相对于惯性坐标EI的角速度，且J为四旋翼无人机的转动惯量矩阵，且U为控制力矩，D为合外力矩中除控制力矩之外其他的力矩，有界且导数存在，
基于单位四元数得到四元数表示的转换矩阵q0为四元数的标量部分，为四元数的矢量部，且满足
将用单位四元数表示得到：其中，I3是单位矩阵，
基于四旋翼无人机的姿态追踪的期望值建立四旋翼无人机的姿态追踪误差为期望四元数值的标量部分，为期望四元数值的矢量部分，为非线性函数，
根据四旋翼无人机在机体坐标Eb下角速度追踪误差eω为为在机体坐标Eb下角速度的期望值，及四旋翼无人机的姿态动力学模型的误差为建立四旋翼无人机的姿态追踪误差动力学方程
根据建立四旋翼无人机最终的姿态动力学模型


3.根据权利要求2所述基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法，其特征在于，所述步骤“基于建立的四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立非线性增广观测器”具体包括以下步骤：
根据四旋翼无人机姿态动力学模型的耦合部分及不确定量部分，确定新状态量为状态量eg的导数存在，η是有界的，且L0为一个正常数；
重新确定变量的符号为将四旋翼无人机最终的姿态动力学模型扩展为：

eo,i为输出值的测量值，i＝1,2,3；
进而得到非线性增广观测器为：

δj,i为观测器的状态量，εi为观测器的参数，εi∈(0,1)，σj,i为观测器的摄动参数，σj,i＞0，且满足αj,i为观测器的增益系数，且满足α1,i∈(0,1)，其中i＝1,2,3；j＝1,2,3；
根据非线性增广观测器的估计误差为χj,i＝ej,i-δj,i，得到非线性增广观测器的误差状态方程为：











4.根据权利要求2所述基于非线性增广观测器的四旋翼无人机姿态动态面控制方法，其特征在于，所述步骤“基于非线性增广观察的观测状态量依次代替四旋翼无人机姿态动力学模型输出的姿态状态量及角速度状态量，建立动态面控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量”具体包括以下步骤：
基于非线性增广观测器，确定第一层动态面误差为：
进而求导得到动态面误差
根据第一层动态面误差z1,i的李雅普诺夫函数为求导得到
根据得到δ2,i(i＝1,2,3)的虚拟控制量c1,i为待设计的正常数，i＝1,2,3，
通过低通滤波器，计算虚拟控制量的输出状态量δ2d,i；
根据非线性增广观测器及虚拟控制量的输出状态量δ2d,i，得到第二层动态面误差为z2,i＝δ2,i-δ2d,i，i＝1,2,3；
根据第二层动态面误差的李雅普诺夫函数求导得到
根据得到最...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦景欣，范逸群，马伟平，杨建军，
申请(专利权)人：莆田学院，
类型：发明
国别省市：福建;35