【技术实现步骤摘要】
一种基于扰动观测的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法
[0001]本专利技术涉及自动控制
，更具体地，涉及一种基于扰动观测的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
[0002]四旋翼无人机具有优秀的机动性能和极强的稳定性，而且其结构简单、成本低，因此具有重要的民用和军用价值。尤其在近几年，四旋翼无人机被各个国家频繁用于军事装备研究项目中，因此四旋翼无人机一直是无人机领域中非常热门的研究主题。
[0003]但四旋翼无人机是典型的多变量、非线性、欠驱动与强耦合系统，使得识别其精确的气动参数与模型参数相当困难，同时其飞行环境复杂，外部和内部扰动多变，因此进行高精度的轨迹跟踪控制是有较大难度的，如何提高四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中位置的跟踪精度和保持姿态的稳定性是目前的研究难点之一。
技术实现思路
[0004]针对四旋翼无人机轨迹跟踪的问题，本专利技术提出一种基于扩张状态观测器的滑模控制方法。该方法可以估算出无人机运动过程中的内外部扰动，克服扰动对无人机的影响，使得四旋翼无人机可以精确跟踪期望位置，并保
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于扰动观测的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括步骤：分析并建立四旋翼无人机的动力学模型；利用扩张状态观测器分别观测出飞行器在惯性坐标系下x、y、z三个位置方向与滚转、俯仰、偏航三个角度方向的内外扰动；利用滑模控制方法分别设计三个位置方向的控制律，将位置方向的控制律反解得到期望的滚转角和俯仰角，最后利用滑模控制方法分别设计三个角度方向的控制律。2.根据权利要求1所述的一种基于扰动观测的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述内外扰动包括外界环境扰动、无人机内部传感器误差、机械误差、参数辨识误差带来的扰动。3.根据权利要求1所述的一种基于扰动观测的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述分析并建立四旋翼无人机的动力学模型包括：无人机在惯性坐标系X
e
‑
Y
e
‑
Z
e
下的位置向量为L＝[x y z]
T
，俯仰角为θ，滚转角为φ，偏航角为ψ；四旋翼无人机的四个控制输入为u
i
(i＝1,2,3,4)，其中u1控制无人机的垂直起降通道，u2控制无人机的滚转通道，u3控制无人机的俯仰通道，u4控制无人机的偏航通道，控制输入u
i
(i＝1,2,3,4)为最终所需求取的无人机运动控制量；建立四旋翼的非线性动力学模型为：其中J
x
、J
y
、J
z
分别是无人机滚转轴、俯仰轴、偏航轴的转动惯量；k
x
、k
y
、k
z
为空气阻力相关系数；l为无人机旋翼的中心距机体坐标系原点的距离；m为无人机总质量；f
φ
、f
θ
、f
ψ
分别表示滚转、俯仰、偏航三个方向的陀螺效应系数；令
设置Δ
i
(i＝1,2,3,4,5,6)分别为四旋翼无人机在滚转、俯仰、偏航三个角度方向和在惯性坐标系X
e
‑
Y
e
‑
Z
e
的三个位置方向上所受的不同来源的扰动量总和，|Δ
i
|≤Δ
max
(i＝1,2,3,4,5,6)，Δ
max
为正实数；将动力学模型(1)简化为4.根据权利要求3所述的一种基于扰动观测的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述利用扩张状态观测器分别观测出飞行器x、y、z三个位置方向与滚转、俯仰、偏航三个角度方向的内外扰动包括：将式(3)中的扩张为以下状态方程
其中v
x
为无人机x方向上的速度，为位置x的一阶微分，可由组合导航信息获取；输出p
x
即为实际位置x，可由组合导航信息获取；x
Δ
即为扰动总量Δ4；x方向扩张状态观测器设计为：其中代表状态
·
的观测值；σ
xi
(i＝1,2,3)为观测参数，ε
x
为高增益参数，参数均可调，且为正实数；扰动量Δ4由观测出后，采用滑模控制方法对控制量u
x
进行设计，设控制误差e
x
＝x
‑
x
d
，其中x
d
为无人机在x方向上的期望位置；针对被控对象式(4)，设计滑模面为其中c
x
＞0；基于扩张状态观测器的滑模控制器设计为同理，y方向的扩张状态观测器及控制律为同理，y方向的扩张状态观测器及控制律为其中v
y
为无人机y方向上的速度，为位置y的一阶微分，可由组合导航信息获取；输出
p
y
即为实际位置y，可由组合导航信息获取；y
Δ
即为扰动总量Δ5；σ
yi
(i＝1,2,3)为观测参数，ε
y
为高增益参数，参数均可调，且为正实数；y位置的误差e
y
＝y
‑
y
d
，其中y
d
为无人机在y方向上的期望位置；滑模面为c
y
＞0；k
y...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘芷纯，张达，刘青，付中乐，刘亮，
申请(专利权)人：湖北航天飞行器研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。