基于有限时间扩张状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法技术

本方案公开了四旋翼无人机技术领域的基于有限时间扩张状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法；包括四旋翼无人机的坐标系及姿态角定义；四旋翼无人机动力学建模；有限时间扩张状态观测器的设计；基于未知补偿的互补滑模控制器设计

【技术实现步骤摘要】
基于有限时间扩张状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法


[0001]本专利技术涉及四旋翼无人机
，特别涉及基于有限时间扩张状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法；

技术介绍

[0002]近些年来，基于扩张状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法受到相关学者的重视并且也取得了一定的研究成果；文献“张建中
,
刘海洋
,
胡化增
.
基于扩张状态观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制
[J].
科学技术与工程
,2019,19(31):380
‑
385.”设计了一种线性扩张状态观测器来对无法精确建模的动态及未知干扰量组成的干扰项进行估计，并结合反步控制器对干扰项进行补偿，可提升对四旋翼无人机的抗干扰能力；文献“张建扬
,
于春梅
,
叶剑晓
.
基于扩张状态观测器和反步滑模法的四旋翼无人机轨迹跟踪控制
[J].
计算机应用
,2018,38(09):2742
‑
>2746.”研究了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于有限时间扩张状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于：步骤一：设置四旋翼无人机的两个坐标系，其中
F
i
(i
＝
1,2,3,4)
为每个旋翼产生的升力；
w
i
为每个旋翼的转速；
A
系为机体坐标系，
B
系为地面坐标系，原点为无人机的质心；围绕
X、Y
和
Z
的欧拉角定义为并且空间旋转分别以
X、Y
和
Z
轴的顺序变化；其中
φ
为滚转角，即围绕自身
X
轴旋转的角度；
θ
为俯仰角，即围绕自身
Y
轴旋转的角度；为偏航角，即围绕自身
Z
轴旋转的角度；根据牛顿第二定律，四旋翼无人机的动力学模型如下：其中
l
表示各旋翼到机体质心的距离，
I
xx
，
I
yy
，
I
zz
分别为机体的三轴转动惯量，
H
i
(i
＝
1,2,3)
为阻力系数，
u
i
(i
＝
1,2,3)
分别为滚转角
φ
，俯仰角
θ
以及偏航角的控制输入；
δ
i
(t)(i
＝
1,2,3)
为环境干扰；此时可得四旋翼无人机状态空间为：针对本文四旋翼无人机模型，通过仿真分析可得，当
α
取
0.4
时所设计的有限时间扩张状态观测器对集总未知数的估计最为准确；其中
f
i
(i
＝
1,2,3)
被视为未建模动态与环境干扰组成的集总未知数：由上述状态空间
(2)
可知四旋翼无人机三个姿态角的状态空间形式相似，故只需对滚转角
φ
进行分析，其余姿态角即可类推得出；此时将集总未知数
f1视为
(2)
中的扩张状态，即
x7:
＝
f1；在这种情况下滚转角
φ
的动力学改写为：
其中针对
(4)
设计有限时间扩张状态观测器如下：上式中
sig
α
(x):
＝
|x|
α
sign(x)
，
β
i
(i
＝
1,2,3)>0
，
b1＝1针对本文四旋翼无人机模型，通过仿真分析可得，当
α
取
0.4
时所设计的有限时间扩张状态观测器对集总未知数的估计最为准确；假设1复杂未知数
f1是连续可微且有界的，即其中为已知常数；引理1对于一个非线性系统如下所示：若
h
是连续可微且有界的，
0<n<1
，
β1，
β2和
β3为合适的参数；那么，系统
(5)
是有限时间稳定的；定理1由有限时间扩张状态观测器
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜琛，姜倩，田鹏，安亚飞，冉景棋，
申请(专利权)人：茅台学院，
类型：发明
国别省市：