一种基于滑模自适应与干扰补偿的四旋翼飞行器控制方法技术

本发明专利技术提供了一个通过安装角陀螺仪直接测量四旋翼飞行器的俯仰角与偏航角对其实现姿态稳定跟踪控制的方法；通过设计一类三阶非线性俯仰偏航微分观测器，求解俯仰角与偏航角误差的一阶以及二阶近似微分信号。然后对俯仰角与偏航角误差进行非线性变换以及叠加一阶二阶近似微分信号得到俯仰偏航非线性滑模信号，再采用自适应方法分别从常值干扰、角度误差干扰、一阶近似微分干扰三个角度进行总干扰补偿，最终形成俯仰与偏航通道的滑模补偿控制器，输送给四旋翼飞行器的舵系统进行分配，实现俯仰偏航通道对相应姿态指令信号进行稳定跟踪。跟踪。跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑模自适应与干扰补偿的四旋翼飞行器控制方法


[0001]本专利技术涉及飞行器控制与姿态控制稳定领域，具体而言，涉及一种基于滑模自适应与干扰补偿的四旋翼飞行器控制方法。

技术介绍

[0002]相较于固定翼飞行器来说，旋翼飞行器的发展相对缓慢，但和固定翼无人机相比具有诸多优点，比如可以自主垂直起飞和降落，能以诸如悬停、倒飞等诸多姿态飞行；这些优点使得旋翼飞行器越来越多的被应用到侦查、警备、电力、勘测、民用、军事等诸多领域。相比八旋翼飞行器来说，四旋翼飞行器的结构更为简单，不存在铰链设计，且结构对称，不需要使用尾桨来抵消反扭力矩，这样便可以减小无人机的功耗，使能源的利用率得到了显著的提高，这使得四旋翼飞行器的研究成为多数学者研究的重点。常规采用PID控制设计的四旋翼飞行器由于系统机构的精确建模比较困难，从而对模型不确定产生的系统干扰扰动没有进行补偿，因此有时在姿态控制的精度上存在瓶颈，会出现不可避免的静差。基于上升背景原因，本专利技术提出了一种采用自适应补偿与滑模控制相结合的方案，既保证了系统的阻尼与稳定性，又能提高系统精度，从而使得本专利技术具有很高的工程应用价值。
[0003]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分专利技术的信息仅用于加强对本专利技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于滑模自适应与干扰补偿的四旋翼飞行器控制方法，进而克服了由于相关技术缺陷导致的四旋翼飞行器的姿态控制系统稳态精度不高的问题。
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供一种基于滑模自适应与干扰补偿的四旋翼飞行器控制方法动，包括以下五个步骤：
[0006]步骤S10，安装俯仰角度传感陀螺仪，测量四旋翼飞行器的俯仰角信号，记作θ；安装偏航角度传感陀螺仪，测量四旋翼飞行器的偏航角信号，记作φ；根据四旋翼飞行器的俯仰方向飞行任务，设定俯仰角指令信号，记作θ
d
；根据四旋翼飞行器的偏航方向飞行任务，设定偏航角指令信号，记作φ
d
；
[0007]步骤S20，根据所述的俯仰角指令信号与俯仰角信号进行对比，得到俯仰误差信号；根据俯仰误差信号，设计三阶非线性俯仰微分观测器，得到观测器的三个状态导数进行积分分别得到三个俯仰状态；再根据三阶非线性俯仰微分观测器的三个状态解算俯仰一阶近似微分信号与俯仰二阶近似微分信号。
[0008]步骤S30，根据所述的俯仰误差信号进行非线性变换后再进行积分，得到俯仰误差非线性积分信号；然后将所述的俯仰一阶近似微分信号、俯仰二阶近似微分信号、俯仰误差非线性积分信号、俯仰误差信号、叠加俯仰误差非线性变换信号以及俯仰一阶近似微分非线性变换信号得到俯仰滑模组合信号；再根据俯仰滑模组合信号对俯仰常值干扰、俯仰误
差干扰、俯仰近似微分干扰进行自适应律估计，得到俯仰常值干扰速率、俯仰误差干扰速率，俯仰近似微分干扰速率；再通过积分得到俯仰常值干扰参数、俯仰误差干扰参数、俯仰近似微分干扰参数，进行组合后得到俯仰干扰补偿总信号；最后对俯仰滑模组合信号进行非线性变换，以及俯仰一阶近似微分信号，并叠加俯仰干扰估计总信号得到四旋翼飞行器俯仰通道控制信号。
[0009]步骤S40，根据所述的偏航角指令信号与偏航角信号进行对比，得到偏航误差信号；根据偏航误差信号，设计三阶非线性偏航微分观测器，得到观测器的三个状态导数进行积分分别得到三个偏航状态；再根据三阶非线性偏航微分观测器的三个状态解算偏航一阶近似微分信号与偏航二阶近似微分信号。
[0010]步骤S50，根据所述的偏航误差信号进行非线性变换后再进行积分，得到偏航误差非线性积分信号；然后将所述的偏航一阶近似微分信号、偏航二阶近似微分信号、偏航误差非线性积分信号、偏航误差信号、叠加偏航误差非线性变换信号以及偏航一阶近似微分非线性变换信号得到偏航滑模组合信号；再根据偏航滑模组合信号对偏航常值干扰、偏航误差干扰、偏航近似微分干扰进行自适应律估计，得到偏航常值干扰速率、偏航误差干扰速率，偏航近似微分干扰速率；再通过积分得到偏航常值干扰参数、偏航误差干扰参数、偏航近似微分干扰参数，进行组合后得到偏航干扰补偿总信号；最后对偏航滑模组合信号进行非线性变换，以及偏航一阶近似微分信号，并叠加偏航干扰估计总信号得到四旋翼飞行器偏航通道控制信号。
[0011]最终，将所得到的四旋翼飞行器俯仰通道控制信号与四旋翼飞行器偏航通道控制信号输送给四旋翼系统进行控制分配解算即可实现四旋翼飞行器的俯仰偏航通道对相应的俯仰角指令以及偏航角指令的跟踪，从而实现了两通道的姿态稳定控制。由于相关的控制分配方法在飞行器出厂时有说明，也不是本专利技术的保护内容，因此在此不再累述。
[0012]在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的俯仰角指令信号与俯仰角信号进行对比，得到俯仰误差信号；根据俯仰误差信号，设计三阶非线性俯仰微分观测器，得到观测器的三个状态导数进行积分分别得到三个俯仰状态；再根据三阶非线性俯仰微分观测器的三个状态解算俯仰一阶近似微分信号与俯仰二阶近似微分信号包括：
[0013]e1＝θ
‑
θ
d
；
[0014][0015][0016]e
d1
＝z2+k2z3；
[0017][0018]其中e1为俯仰误差信号；为三阶非线性俯仰微分观测器的第一个状态导数，通过积分后得到的z1为三阶非线性俯仰微分观测器的第一个状态；为三阶非线性俯仰微分观测器的第二个状态导数，通过积分后得到的z2为三阶非线性俯仰微分观测器的第二个状态；为三阶非线性俯仰微分观测器的第三个状态导数，通过积分后得到的z3为三阶非线性俯仰微分观测器的第三个状态；k1、k2、k3、ε1为三阶非线性俯仰微分观测器的常值参数；e
d1
为俯仰一阶近似微分信号，e
d2
为俯仰二阶近似微分信号。
[0019]在本专利技术的一种示例实施例中，根据所述的俯仰误差信号进行非线性变换后再进行积分，得到俯仰误差非线性积分信号；然后将所述的俯仰一阶近似微分信号、俯仰二阶近似微分信号、俯仰误差非线性积分信号、俯仰误差信号、叠加俯仰误差非线性变换信号以及俯仰一阶近似微分非线性变换信号得到俯仰滑模组合信号包括：
[0020][0021][0022][0023]s1＝c1e1+c2r
a1
+c3e
d1
+c4e
d2
+c5s
a1
+c6r
b1
；
[0024]其中r
a1
为俯仰误差非线性变换信号；r
b1
为俯仰一阶近似微分非线性变换信号；s
a1
为俯仰误差非线性积分信号；s1为俯仰滑模组合信号；c
a1
、c
a2
、c
a3
、c1、c2、c3、c4、c5、c6为常值参数。
[0025]在本专利技术的一种示例实施例中，根据俯仰滑模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滑模自适应与干扰补偿的四旋翼飞行器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S10，安装俯仰角度传感陀螺仪，测量四旋翼飞行器的俯仰角信号，记作θ；安装偏航角度传感陀螺仪，测量四旋翼飞行器的偏航角信号，记作φ；根据四旋翼飞行器的俯仰方向飞行任务，设定俯仰角指令信号，记作θ
d
；根据四旋翼飞行器的偏航方向飞行任务，设定偏航角指令信号，记作φ
d
；步骤S20，根据所述的俯仰角指令信号与俯仰角信号进行对比，得到俯仰误差信号；根据俯仰误差信号，设计三阶非线性俯仰微分观测器，得到观测器的三个状态导数进行积分分别得到三个俯仰状态；再根据三阶非线性俯仰微分观测器的三个状态解算俯仰一阶近似微分信号与俯仰二阶近似微分信号如下：e1＝θ
‑
θ
d
；；；；；；e
d1
＝z2+k2z3；其中e1为俯仰误差信号；为三阶非线性俯仰微分观测器的第一个状态导数，通过积分后得到的z1为三阶非线性俯仰微分观测器的第一个状态；为三阶非线性俯仰微分观测器的第二个状态导数，通过积分后得到的z2为三阶非线性俯仰微分观测器的第二个状态；为三阶非线性俯仰微分观测器的第三个状态导数，通过积分后得到的z3为三阶非线性俯仰微分观测器的第三个状态；k1、k2、k3、k4、ε1为三阶非线性俯仰微分观测器的常值参数；e
d1
为俯仰一阶近似微分信号，e
d2
为俯仰二阶近似微分信号；步骤S30，根据所述的俯仰误差信号进行非线性变换后再进行积分，得到俯仰误差非线性积分信号；然后将所述的俯仰一阶近似微分信号、俯仰二阶近似微分信号、俯仰误差非线性积分信号、俯仰误差信号、叠加俯仰误差非线性变换信号以及俯仰一阶近似微分非线性变换信号得到俯仰滑模组合信号；再根据俯仰滑模组合信号对俯仰常值干扰、俯仰误差干扰、俯仰近似微分干扰进行自适应律估计，得到俯仰常值干扰速率、俯仰误差干扰速率，俯仰近似微分干扰速率；再通过积分得到俯仰常值干扰参数、俯仰误差干扰参数、俯仰近似微分干扰参数，进行组合后得到俯仰干扰补偿总信号；最后对俯仰滑模组合信号进行非线性变换，以及俯仰一阶近似微分信号，并叠加俯仰干扰估计总信号得到四旋翼飞行器俯仰通
道控制信号如下：道控制信号如下：道控制信号如下：s1＝c1e1+c2r
a1
+c3e
d1
+c4e
d2
+c5s
a1
+c6r
b1
；；；；；；；；其中r
a1
为俯仰误差非线性变换信号；r
b1
为俯仰一阶近似微分非线性变换信号；s
a1
为俯仰误差非线性积分信号；s1为俯仰滑模组合信号；T
w1
为俯仰干扰补偿总信号；为俯仰常值干扰速率、为俯仰误差干扰速率，为俯仰近似微分干扰速率；为俯仰常值干扰参数、为俯仰误差干扰参数、为俯仰近似微分干扰参数，k
a1
、k
a2
、k
a3
为常值参数，用于调节干扰参数自适应收敛的速率；c
a1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成罡，姜永超，宋磊，黄丹，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：