基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器及方法技术

本发明专利技术提供一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器及方法，该姿态控制器包括外环比例控制器、跟踪微分器、非线性控制器、无人机和变增益扩展状态观测器，所述的外环比例控制器输出端与跟踪微分器输入端连接，所述的跟踪微分器输出端和非线性控制器输入端均与非线性控制器输入端连接，所述的非线性控制器输出端与无人机输入端连接，所述的无人机输出端分别与变增益扩展状态观测器输入端和外环比例控制器的输入端连接。本发明专利技术中的变增益扩展状态观测器可在一定程度上实现对不确定性的估计和补偿。提高了无人机控制的稳定性和抗干扰能力，解决了观测器初始累计误差较大的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器及方法


[0001]本专利技术属于无人机领域，具体涉及一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器及方法。

技术介绍

[0002]无人机越发多的出现在人们的视野之中的同时，其安全性和稳定性也需要得到进一步的加强。当前市面上大多数无人机仍采用传统的pid控制算法进行控制，其控制精度和抗干扰能力较弱，不能应对很多极端情况；
[0003]韩京清教授所研究出的adrc自抗扰算法可以较好地在 一些方面解决干扰估算、参数估计等难题。而当前已有的部分无人机自抗扰控制器中，对模型与算法的结合仍不完善，需要进行修正。
[0004]在无人机飞行过程中，由于存在外部扰动，建模不匹配等等不确定性的影响，估计值与实际值之间存在较大误差。尤其是在实际的飞行过程中，初始阶段的观测误差非常容易累计，导致起飞时观测误差过大，甚至可能导致起飞侧翻等情况。

技术实现思路

[0005]为了克服现有无人机飞行过程中，估计值与实际值之间存在较大误差，起飞时观测误差过大，导致起飞侧翻的问题，本专利技术提供一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器及方法，本专利技术提高了无人机控制的稳定性和抗干扰能力，解决了观测器初始累计误差较大的问题。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，包括外环比例控制器、跟踪微分器、非线性控制器、无人机和变增益扩展状态观测器，所述的外环比例控制器输出端与跟踪微分器输入端连接，所述的跟踪微分器输出端和变增益扩展状态观测器输出端均与非线性控制器输入端连接，所述的非线性控制器输出端与无人机输入端连接，所述的无人机输出端分别与变增益扩展状态观测器输入端和外环比例控制器的输入端连接。
[0008]所述的跟踪微分器为TD跟踪微分器，用于对期望信号进行滤波处理。
[0009]所述的跟踪微分器的表达式为：
[0010][0011]其中，δ(t)为期望的角速率信息，δ
′
和δ
′2分别代表对期望角速率的跟踪量和对期望角速率微分的跟踪量；r为TD的控制器增益，sign 为函数。
[0012]所述的sign函数取值为：
[0013][0014]所述的非线性控制器为NLSEF。
[0015]所述的非线性控制器NLSEF的表达式为：
[0016]u(t)＝(α1fal(e(t)，σ，τ1)
‑
z2(t))/b0[0017]其中，b0表示控制器反馈增益，u(t)表示输出量，α1为非线性控制器增益，e(t)为控制器输入即角速率差，fal为函数。
[0018]所述的fal函数形式为：
[0019][0020]其中，α为非线性因子，取值范围为(0，1)；δ为滤波因子。
[0021]所述的变增益扩展状态观测器表达式为：
[0022][0023]其中，y
′
(t)表示实际角速率值，z1(t)，z2(t)分别表示第一和第二观测量，e1(t)为观测误差，u(t)表示输出量；存在且有界，k1，k2为观测器的两个增益，并使得多项式s2+k1s+k2满足 Hurwitz条件；r(t)为设定的时变的观测器增益，表达式如下：
[0024][0025]其中，a和q取值均大于0。
[0026]一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于：将期望的角度信息ρ(t)与实际状态量y(t)的差值姿态外环误差量ε(t)经过外环比例控制器处理得到期望的角速率信息δ(t)，期望的角速率信息δ(t)经过跟踪微分器处理，得到对期望角速率的跟踪量δ
′
，对期望角速率的跟踪量δ
′
与期望角速率的第一观测量z1(t)做差得到非线性控制器输入信号即角速率差e(t)，角速率差e(t)以及观测总扰动值z2(t)作为非线性控制器的输入，非线性控制器的输出量u(t)输送给变增益扩展状态观测器并输入传感器获取的实际角速率值y
′
(t)，进行计算得到第一、第二观测量z1(t)和z2(t)，同时，u(t)通过消息体发布接收结构传输给混控器，经混控器处理后得到作动器的输入，最后由作动器进行输出。
[0027]本专利技术的有益效果为：
[0028]本专利技术通过设置变增益扩展状态观测器TESO，在增益时变观测器使得观测器增益从较小值逐渐增大，可有效减少初始观测误差较大时引起的跟踪器跟踪不上的影响。
[0029]以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
[0030]图1本专利技术旋翼无人机姿态控制器的整体结构框图。
[0031]图2传统串级pid控制器阶跃信号仿真结果图。
[0032]图3本专利技术控制器阶跃信号仿真结果图。
[0033]图4传统扩展状态观测器eso阶跃信号观测误差仿真结果图。
[0034]图5本专利技术teso阶跃信号观测误差仿真结果图。
具体实施方式
[0035]实施例1：
[0036]为了克服现有无人机飞行过程中，估计值与实际值之间存在较大误差，起飞时观测误差过大，导致起飞侧翻的问题，本专利技术提供图 1
‑
图5所示的一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器及方法，本专利技术提高了无人机控制的稳定性和抗干扰能力，解决了观测器初始累计误差较大的问题。
[0037]一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，包括外环比例控制器1、跟踪微分器2、非线性控制器3、无人机4和变增益扩展状态观测器5，所述的外环比例控制器1输出端与跟踪微分器2 输入端连接，所述的跟踪微分器2输出端和变增益扩展状态观测器5 输出端均与非线性控制器3输入端连接，所述的非线性控制器3输出端与无人机4输入端连接，所述的无人机4输出端分别与变增益扩展状态观测器5输入端和外环比例控制器1的输入端连接。
[0038]如图1所示，本专利技术中通过外环比例控制器1、跟踪微分器2、非线性控制器3和变增益扩展状态观测器5配合使用在无人机4上，通过跟踪微分器对期望信号进行滤波处理，通过变增益扩展状态观测器5，以实现对观测器可能出现的初始误差积累问题进行补偿，并增加观测器在无人机飞行过程中的稳定性。
[0039]实施例2：
[0040]基于实施例1的基础上，本实施例中，优选的，所述的跟踪微分器2为TD跟踪微分器，用于对期望信号进行滤波处理。
[0041]优选的，所述的非线性控制器3为NLSEF。
[0042]所述的变增益扩展状态观测器表达式为：
[0043][0044]其中，y
′
(t)表示实际角速率值，z1(t)，z2(t)分别表示第一和第二观测量，e1(t)为观测误差，u(t)表示输出量；存在且有界，k1，k2为观测器的两个增益，并使得多项式s2+k1s+k2满足 Hurwitz条件；r(t)为设定的时变的观测器增益，表达式如下：
[0045][0046本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，其特征在于：包括外环比例控制器(1)、跟踪微分器(2)、非线性控制器(3)、无人机(4)和变增益扩展状态观测器(5)，所述的外环比例控制器(1)输出端与跟踪微分器(2)输入端连接，所述的跟踪微分器(2)输出端和变增益扩展状态观测器(5)输出端均与非线性控制器(3)输入端连接，所述的非线性控制器(3)输出端与无人机(4)输入端连接，所述的无人机(4)输出端分别与变增益扩展状态观测器(5)输入端和外环比例控制器(1)的输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，其特征在于：所述的跟踪微分器(2)为TD跟踪微分器，用于对期望信号进行滤波处理。3.根据权利要求1所述的一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，其特征在于：所述的跟踪微分器(2)的表达式为：其中，δ(t)为期望的角速率信息，δ
′
和δ
′2分别代表对期望角速率的跟踪量和对期望角速率微分的跟踪量；r为TD的控制器增益，sign为函数。4.根据权利要求3所述的一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，其特征在于：所述的sign函数取值为：5.根据权利要求1所述的一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，其特征在于：所述的非线性控制器(3)为NLSEF。6.根据权利要求1所述的一种基于变增益观测器设计的旋翼无人机姿态控制器，其特征在于：所述的非线性控制器NLSEF的表达式为：u(t)＝(α1fal(e(t)，σ，τ1)
‑
z2(t))/b0其中，b0表示控制器反馈增益，u(t)表示输出量，α1为非线性控制器增益，e(t)为控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国栋，
申请(专利权)人：西安万飞控制科技有限公司，
类型：发明
国别省市：