一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法技术

本发明专利技术公开了一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法，利用干扰观测器、模型参考自适应控制分别与反步控制方法相结合的方式强化四旋翼飞行器在飞行时的三维位置和航向角的稳定。本发明专利技术能够保证四旋翼飞行器的三维位置在外界气流干扰和内部参数不确定的影响下稳定平滑地跟踪指令信号。首先，四旋翼飞行器具有6个自由度，本发明专利技术选择保证它的三维位置和航向角的稳定。其次，在四旋翼飞行器的水平位置应用干扰观测器估计未知干扰得到相应姿态角的补偿量，应用模型参考自适应控制提高姿态角和高度抗干扰性能，使四旋翼飞行器的位置稳定性得到双重保障，保证四旋翼飞行器对指令信号的稳定平滑跟踪。最终提高了四旋翼飞行器整个系统在三维坐标系下定点飞行和轨迹跟踪的稳定性和抗干扰能力。该方法能够有效抑制外界气流干扰，同时对负载不确定性具有较强的自适应能力。具有较强的自适应能力。具有较强的自适应能力。

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法


[0001]本专利技术涉及飞行器控制设计领域，更具体地说，它涉及一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法。

技术介绍

[0002]四旋翼飞行器由于小巧灵便、价格低廉、可垂直起降和悬停等优点，广泛应用在军用和民用领域。然而，四旋翼飞行器是一种欠驱动、强耦合、多变量、非线性的复杂系统，并且易受各种干扰因素影响，包括动力学模型参数不确定、外部因素干扰和测量噪声等。
[0003]由于四旋翼飞行器具有6个自由度，却只有4个独立的控制输入，因此只能控制四旋翼飞行器的4个自由度，在6个自由度都受到干扰时也只能保证四旋翼飞行器的4个自由度的稳定性和抗干扰能力。
[0004]目前，为实现对四旋翼飞行器的控制，很多控制方法被应用，然而这些控制方法大多抗干扰能力不够理想，即使抗干扰能力较好的一部分控制方法，也仅仅应用在高度和姿态子系统4 个自由度，没有提升四旋翼飞行器在三维坐标系下定点飞行和轨迹跟踪时的抗干扰能力。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法，其具有在四旋翼飞行器的6个自由度都受到干扰时保证它的三维位置和偏航角 4个自由度的稳定。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1，将四旋翼飞行器的动力学模型分解为水平位置子系统动力学模型与高度和姿态子系统动力学模型，改写水平位置子系统的动力学模型，建立含不确定干扰的水平位置子系统动力学模型；
[0008]S2，基于S1中含不确定干扰的水平位置子系统动力学模型，设计非线性干扰观测器对影响水平位置稳定的不确定干扰进行实时估计；
[0009]S3，基于S2中非线性干扰观测结果，对含不确定干扰的水平位置子系统设计反步控制器，通过虚拟控制量得到所需要的姿态角的期望值，即对高度和姿态控制子系统中的相应姿态角的指令；
[0010]S4，简化和分析四旋翼飞行器的高度和姿态子系统动力学模型；
[0011]S5，对S4中的高度和姿态子系统设计反步控制器和模型参考自适应控制器，有效抑制不确定干扰，不仅使四旋翼飞行器的高度和姿态具有更高的抗干扰能力，而且消除了姿态角不稳定时对水平位置的影响，同时对负载不确定性具有较强的自适应能力；
[0012]S6，基于S5中高度和姿态控制子系统的良好抗干扰能力，能够有效保证它对S3中的相应姿态角指令的稳定平滑跟踪，通过不断调节姿态角，实现对水平位置的干扰的抑制，
最终提高了四旋翼飞行器整个系统在三维坐标系下定点飞行和轨迹跟踪的稳定性和抗干扰能力。
[0013]综上所述，本专利技术的有益效果：
[0014]第一，本专利技术将非线性干扰观测器、模型参考自适应控制方法分别与反步控制方法进行了结合，分别应用在了水平位置控制子系统与高度和姿态控制子系统，与四旋翼飞行器的控制系统架构合理结合，在发挥各自性能的同时，整体抗干扰能力得到了大幅提升。
[0015]第二，本专利技术在应用时对四旋翼飞行器可能受到的各种类型的干扰具有普遍的适用性和抗干扰有效性，使四旋翼飞行器在实际飞行时遇到不确定干扰时都能有良好的抗干扰效果。
[0016]第三，在水平位置控制子系统采用非线性干扰观测器能够较准确地预判外界对四旋翼飞行器的影响，并做出预先调整，而不是在四旋翼飞行器在实际偏离指令时后才会产生控制量，这种预调整能够保证四旋翼飞行器对轨迹的稳定平滑跟踪。
[0017]第四，与传统控制方法相比，本专利技术能够使四旋翼飞行器在6个自由度都受到有限不确定干扰时保证它的三维位置和航向角这4个自由度的稳定，最终提高了四旋翼飞行器整个系统在三维坐标系下定点飞行和轨迹跟踪的稳定性和抗干扰能力。
[0018]第五，本专利技术中优选四旋翼无人机作为案例，但是目前仍有更多不同数量子系统的控制系统能够应用该方法，能够满足大量企业的实际需求。
附图说明：
[0019]图1为四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制系统框图。
[0020]图2为四旋翼飞行器的高度和和姿态子系统控制原理框图。
具体实施方式：
[0021]如图1所示，一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法，包括以下步骤：第一步，将四旋翼飞行器的动力学模型分解为水平位置子系统动力学模型与高度和姿态子系统动力学模型，改写水平位置子系统的动力学模型，建立含不确定干扰的水平位置子系统动力学模型；
[0022]未改写前四旋翼飞行行器水平位置子系统的动力学方程为
[0023][0024]令两个虚拟输入为
[0025][0026]建立四旋翼飞行器水平位置子系统受干扰时的动力学方程，并改写为一般描述形式
[0027][0028]其中
[0029][0030][0031]U
A
＝[U
x U
y
]ꢀꢀꢀ
(6)
[0032]B2＝diag[1 1]ꢀꢀꢀ
(7)
[0033]d＝[d
1 d2]ꢀꢀꢀ
(8)
[0034]第二步：基于第一步的含不确定干扰的水平位置子系统动力学模型，将实时估计不确定干扰的非线性干扰观测器设计为
[0035][0036]其中，是等效干扰d的估计值，n是非线性干扰观测器的内状态，P(X)是待设计的非线性向量函数。非线性干扰观测器的增益矩阵L(X)定义如下：
[0037][0038]干扰观测器的观测误差定义为
[0039][0040]假设等价干扰随时间变化缓慢，即的条件下，可以得到干扰观测器的误差方程
[0041][0042]即
[0043][0044]要使微分方程的解指数收敛
[0045][0046]需选取合适的干扰观测器增益矩阵L(X)＝diag[l
1 l2]，构造向量函数P(X)，进而使观测器估计误差对任意x∈R2全局指数稳定。
[0047]第三步：基于第二步的非线性干扰观测器设计水平位置子系统反步控制器：
[0048]以x通道为例推导反步控制律，如下
[0049](1)定义x通道的误差变量
[0050]e1＝x
d
‑
x
ꢀꢀꢀ
(15)
[0051]取e1导数
[0052][0053]式中e2＝x2‑
a1为虚拟误差变量，a1为虚拟控制量，f1为待定项。构造Lyapunov函数
[0054][0055]并取其导数
[0056][0057]仅当子系统才稳定收敛，有虚拟控制量
[0058]a1＝
‑
c1e1‑
f1ꢀꢀꢀ
(19)
[0059]其中c
i
(i＝1，2
…
12)＞0为控制增益，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将四旋翼飞行器的动力学模型分解为水平位置子系统动力学模型与高度和姿态子系统动力学模型，改写水平位置子系统的动力学模型，建立含不确定干扰的水平位置子系统动力学模型；S2，基于S1中含不确定干扰的水平位置子系统动力学模型，设计非线性干扰观测器对影响水平位置稳定的不确定干扰进行实时估计；S3，基于S2中非线性干扰观测结果，对含不确定干扰的水平位置子系统设计反步控制器，通过虚拟控制量得到所需要的姿态角的期望值，即对高度和姿态控制子系统中的相应姿态角的指令；S4，简化和分析四旋翼飞行器的高度和姿态子系统动力学模型；S5，对S4中的高度和姿态子系统设计反步控制器和模型参考自适应控制器，有效抑制不确定干扰，不仅使四旋翼飞行器的高度和姿态具有更高的抗干扰能力，而且消除了姿态角不稳定时对水平位置的影响，同时对负载不确定性具有较强的自适应能力；S6，基于S5中高度和姿态控制子系统的良好抗干扰能力，能够有效保证它对S3中的相应姿态角指令的稳定平滑跟踪，通过不断调节姿态角，实现对水平位置的干扰的抑制，最终提高了四旋翼飞行器整个系统在三维坐标系下定点飞行和轨迹跟踪的稳定性和抗干扰能力。2.一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法在保证四旋翼飞行器三维位置稳定和抗干扰时的应用。3.根据权利要求书1所述一种四旋翼飞行器的定点飞行和轨迹跟踪抗干扰控制方法，其特征在于，所述不确定干扰包括动力学模型参数不确定、外部因素干扰和测量噪声等，主要为外界气流干扰和负载不确定的影响。4.根据权利要求书1中S1所述改写后的水平位置子系统的动力学模型，其特征在于，此时的模型为一般描述形式：其中U
A
＝[U
x U
y
]，B2＝diag[1 1]，d＝[d1d2]。上述各式方括号内，分别为四旋翼飞行器沿x轴、y轴的速度，U1为四旋翼飞行器的控制输入，m为四旋翼飞行器的质量，U
x
、U
y
分别为沿x轴、y轴的虚拟控制量，d1、d2分别为不确定干扰。5.根据权利要求1中S2所述非线性干扰观测器为：其中，是等效干扰d的估计值，n是非线性干扰观测器的内状态，P(X)是待设计的非线性向量函数，L(X)为6.根据权利要求1中S3所述水平位置子系统的控制器为：
其中，c1、c2、c3、c4为控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李珺，
申请(专利权)人：李珺，
类型：发明
国别省市：