基于非线性扰动观测器的四旋翼无人机降落控制方法技术

本发明专利技术涉及四旋翼无人机降落控制技术，为提出一种基于非线性扰动观测器的鲁棒控制器，实现四旋翼无人机降落过程中较好地抑制地面效应对无人机的干扰。为此，本发明专利技术采用的技术方案是，基于非线性扰动观测器的四旋翼无人机降落控制方法，包括如下步骤：建立四旋翼无人机降落过程的非线性动力学模型，设计非线性终端滑模有限时间收敛观测器，进而设计非线性鲁棒控制器实现四旋翼无人机的降落控制。本发明专利技术主要应用于四旋翼无人机降落控制场合。主要应用于四旋翼无人机降落控制场合。主要应用于四旋翼无人机降落控制场合。

【技术实现步骤摘要】
Transactions on Circuits and Systems I：FundamentalTheory and Applications；著者：Xinghuo Yu，Man Zhihong；出版年月：2002年；文章题目：Fast Terminal SlidingModeControl Design for Nonlinear Dynamical Systems；页码：261
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264)。Yong Feng等人针对终端滑模控制算法中的奇异性问题，通过调整幂次项的系数使系统消除奇异性(期刊：Automatica；著者：Yong Feng，Xinghuo Yu，Zhihong Man；出版年月：2002年；文章题目：NonsingularTerminal Sliding Mode Control of Rigid Manipulators；页码：2159
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2167)。
[0005]虽然通过鲁棒算法可以抑制扰动，但是这样一般会给控制输入带来较大的颤震问题，不利于精准的控制。Xiang He等人提出将扰动估计值引入控制器进行前馈控制(期刊：Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control；著者：Xiang He，Gordon Kou，Marc Calaf等人；出版年月：2019年；文章题目：In
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Ground
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Effect Modeling and Nonlinear
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Disturbance Observer for Multirotor Unmanned AerialVehicle Control；页码：071013)。对于传感器无法测量的扰动，较为常用的有两种方法可以进行估计，神经网络法和扰动观测器法。使用神经网估计扰动存在计算较大，对无人机机载计算单元硬件要求较高的问题，并且需要庞大的数据集。使用扰动观测器估计扰动计算量小且不需要增加额外的传感器。Wen
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Hua Chen等人基于二阶非线性系统设计了非线性扰动观测器，并且通过仿真验证了观测器的有效性(期刊：IEEE Transactions on IndustrialElectronics；著者：Wen
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Hua Chen，D.J.Balance，P.J.Gawthrop等人；出版年月：2000年；文章题目：ANonlinear Disturbance Observer forRobotic Manipulators；页码：932
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938)。Mou Chen等人针对单输入单输出系统设计了有限时间收敛的扰动观测器(期刊：ISA Transactions；著者：Mou Chen，Qing
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Xian Wu，and Rong
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Xin Cui；出版年月：2013年；文章题目：Terminalsliding mode tracking control for a class ofSISO uncertain nonlinear systems；页码：198
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206)。以上文献都是通过数值仿真来验证算法的有效性。目前的研究中，很少有研究对扰动观测器进行实验验证。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于非线性扰动观测器的鲁棒控制器，实现四旋翼无人机降落过程中较好地抑制地面效应对无人机的干扰。为此，本专利技术采用的技术方案是，基于非线性扰动观测器的四旋翼无人机降落控制方法，包括如下步骤：建立四旋翼无人机降落过程的非线性动力学模型，设计非线性终端滑模有限时间收敛观测器，进而设计非线性鲁棒控制器实现四旋翼无人机的降落控制。
[0007]具体步骤如下：
[0008]步骤1)确定四旋翼无人机的坐标系定义；
[0009]四旋翼无人机坐标系定义主要涉及两个坐标系，惯性坐标系{I}＝{O
I
，x
I
，y
I
，z
I
}和机体坐标系{B}＝{O
B
，x
B
，y
B
，z
B
}，其中O
i
(i＝I，B)表示坐标系原点，x
i
，y
i
，z
i
(i＝I，B)分别对应坐标系三个主轴方向的单位矢量，各坐标系的定义均遵循右手定则，同时定义四旋翼姿态角在坐标系{I}下表示为η(t)＝[φ(t)，θ(t)，ψ(t)]T
，φ(t)，θ(t)，ψ(t)分别对应滚转角、俯仰角和偏航角，目标位置在坐标系{I}下表示为P(t)＝[x
d
(t)，y
d
(t)，z
d
(t)]T
，x
d
(t)，y
d
(t)，z
d
(t)分别对应目标在惯性坐标系下x轴，y轴，z轴的位置；
[0010]步骤2)确定四旋翼无人机的动力学模型；
[0011]通过分析四旋翼无人机作用原理，用拉格朗日方程来描述其动力学模型为：
[0012][0013]式(1)中e3＝[0 0 1]T
为z轴向量，V(t)∈R3×1为惯性坐标下的线速度，g∈R为重力加速度，m∈R为无人机的机体质量，f(t)∈R1×1为机体坐标系下四个电机在高度方向产生的总升力，d(t)∈R3×1为降落过程中地面效应造成的扰动力，ω(t)∈R3×1为机体坐标系下的角速度，[ω(t)]×
∈R3×3为ω(t)张成的反对称矩阵，τ(t)∈R3×1为机体坐标系下的转矩。R为机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，如式(2)所示，其中s(
·
)、c(
·
)分别代表三角函数sin(
·
)与cos(
·
)，无人机的转动惯量矩阵为J＝diag([J
x J
y J
z
])：
[0014][0015]为了便于后续的控制设计，定义辅助控制输出信号u(t)∈R3×1和辅助变量D(t)∈R3×1如下所示：
[0016][0017]假设1地面效应造成的扰动存在上确界sup(D)。
[0018]步骤3)设计非线性终端滑模扰动观测器对地面效应进行估计；
[0019]定义x1＝P，式(1)中的前两个等式改写为
[0020][0021]设计滑模面s1(t)∈R3×1为如下形式：
[0022]s1＝z
‑
x2ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]其中z(t)∈R3×1为非线性扰动观测器辅助变量，定义扰动观测器估计值为设计扰动观测器如下所示：
[0024][0025]式(6)中p0，q0∈O为正奇数，并且p0＜q0，参数k，ε，β∈R为正实数，β＞sup(D)，定义扰动估计误差为
[0026][00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非线性扰动观测器的四旋翼无人机降落控制方法，其特征是，包括如下步骤：建立四旋翼无人机降落过程的非线性动力学模型，设计非线性终端滑模有限时间收敛观测器，进而设计非线性鲁棒控制器实现四旋翼无人机的降落控制。2.如权利要求1所述的基于非线性扰动观测器的四旋翼无人机降落控制方法，其特征是，具体步骤如下：步骤1)确定四旋翼无人机的坐标系定义；四旋翼无人机坐标系定义主要涉及两个坐标系，惯性坐标系{I}＝{O
I
，x
I
，y
I
，z
I
}和机体坐标系{B}＝{O
B
，x
B
，y
B
，z
B
}，其中O
i
(i＝I，B)表示坐标系原点，x
i
，y
i
，z
i
(i＝I，B)分别对应坐标系三个主轴方向的单位矢量，各坐标系的定义均遵循右手定则，同时定义四旋翼姿态角在坐标系{I}下表示为η(t)＝[φ(t)，θ(t)，ψ(t)]
T
，φ(t)，θ(t)，ψ(t)分别对应滚转角、俯仰角和偏航角，目标位置在坐标系{I}下表示为P(t)＝[x
d
(t)，y
d
(t)，z
d
(t)]
T
，x
d
(t)，y
d
(t)，z
d
(t)分别对应目标在惯性坐标系下x轴，y轴，z轴的位置；步骤2)确定四旋翼无人机的动力学模型；通过分析四旋翼无人机作用原理，用拉格朗日方程来描述其动力学模型为：式(1)中e3＝[0 0 1]
T
为z轴向量，V(t)∈R3×1为惯性坐标下的线速度，g∈R为重力加速度，m∈R为无人机的机体质量，f(t)∈R1×1为机体坐标系下四个电机在高度方向产生的总升力，d(t)∈R3×1为降落过程中地面效应造成的扰动力，ω(t)∈R3×1为机体坐标系下的角速度，[ω(t)]
×
∈R3×3为ω(t)张成的反对称矩阵，τ(t)∈R3×1为机体坐标系下的转矩，R为机体...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜斌，李杰奇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：