【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及矿道无人机巡检，特别涉及一种矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法及装置。
技术介绍
1、矿道环境是一种具有高风险、复杂性和封闭性特点的特殊作业环境，通常伴有狭窄的空间、低照度、湿滑地面以及空气流动不均等问题。在此环境中，传统的巡检与作业方式依赖于人工操作或地面设备，不仅效率低下，且存在较高的安全风险。因此，采用四旋翼无人机在该恶劣环境内的自主巡检、环境监测及安全评估，成为近年来研究的热点。
2、然而，四旋翼无人机在矿道环境中飞行时，面临诸多技术难题。首先，由于这类环境中通常无法获取稳定的gps信号，导致无人机无法依赖卫星定位进行自主飞行控制。其次，矿道内部空间狭窄且环境多变，无人机容易受到气流扰动的影响，从而引起姿态不稳，严重时可能发生碰撞事故。因此，提高无人机在矿道环境下的抗风扰能力以及姿态稳定性，成为无人机自主飞行控制研究中的重要课题。
3、目前，针对矿道环境的无人机飞行控制方法主要集中在基于视觉、激光雷达或惯性测量单元的数据融合，以实现姿态与位置的精确估计。这类方法虽已取得一定成效，但在面对突发风扰或复杂流体环境时，仍然难以保证飞行的稳定性与安全性。因此，需要一种针对矿道环境的抗风扰姿态控制方法，能够有效抑制外界扰动，提高无人机的飞行安全性和路径跟踪精度。
4、基于此提出本专利技术。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法及装置，能够有效抑制外界扰动，提高无人机的飞行安全性和路径跟踪精度，
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术在第一方面提供了一种矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，包括如下步骤：s1位置外环控制，根据期望轨迹利用pid控制器控制无人机的位置子系统；s2姿态内环控制，根据期望轨迹利用基于障碍函数的自适应滑模控制器控制无人机的姿态子系统。
4、本专利技术在第一方面提供了一种优选方案，所述s1位置外环控制中，根据期望轨迹获得无人机的期望位置和期望航偏角，无人机的期望位置和当前位置作为所述pid控制器的输入，所述pid控制器结合期望航偏角输出无人机的期望俯仰角和期望滚转角，以及输出无人机的其中一个控制输入量，用于控制四旋翼无人机其中一个螺旋桨。
5、本专利技术在第一方面提供了一种优选方案，所述s2姿态内环控制中，无人机当前的滚转角、俯仰角和偏航角、期望航偏角、期望俯仰角和期望滚转角作为所述基于障碍函数的自适应滑模控制器的输入，自适应滑模控制器输出无人机的另外三个控制输入量，用于控制四旋翼无人机另外三个螺旋桨。
6、本专利技术在第二方面提供了一种矿道环境下无人机抗风扰姿态控制装置，采用上述方法，包括：位置外环控制器，用于根据期望轨迹利用pid控制器控制无人机的位置子系统；姿态内环控制器，用于根据期望轨迹利用基于障碍函数的自适应滑模控制器控制无人机的姿态子系统。
7、与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
8、本专利技术结合四旋翼无人机在矿道环境下稳定巡检的需求提出了一种适用于矿道环境的四旋翼无人机抗风扰姿态控制方法，并结合四旋翼无人机的特点，设计了一套在gps拒止环境下，通过鲁棒抗风扰姿态控制控制策略，有效提升了四旋翼无人机在矿道环境下的抗风扰能力与飞行稳定性，为四旋翼无人机在狭窄、复杂环境中的应用提供了一定的技术支撑。总之，本专利技术矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法及装置能够有效抑制外界扰动，提高无人机的飞行安全性和路径跟踪精度，使得无人机能够在面对矿道突发风扰或复杂流体环境时具有稳定巡检的能力。
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1.一种矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1位置外环控制，根据期望轨迹利用PID控制器控制无人机的位置子系统；S2姿态内环控制，根据期望轨迹利用基于障碍函数的自适应滑模控制器控制无人机的姿态子系统。
2.根据权利要求1所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，所述位置子系统的位置回路表示为式(1)，所述姿态子系统的姿态回路表示为式(2)：
3.根据权利要求2所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，所述S1位置外环控制中，根据期望轨迹获得无人机的期望位置和期望航偏角，无人机的期望位置和当前位置作为所述PID控制器的输入，所述PID控制器结合期望航偏角输出无人机的期望俯仰角和期望滚转角，以及输出无人机的其中一个控制输入量，用于控制四旋翼无人机其中一个螺旋桨。
4.根据权利要求3所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，所述S2姿态内环控制中，无人机当前的滚转角、俯仰角和偏航角、期望航偏角、期望俯仰角和期望滚转角作为所述基于障碍函数的自适应滑模控制器的输入，自适应滑模控制器输出无人机
5.根据权利要求4所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，所述基于障碍函数的自适应滑模控制器中，障碍函数如下：首先，对于任意给定ε>0，存在连续偶函数Kb(x)，对于x∈[-ε,ε]，有Kb∈[b,∞]，Kb(x)在x∈[0,ε]上严格递增，ε、x、b皆为正整数，并且满足：
6.根据权利要求5所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，对于无人机的姿态子系统的滚转角通道，所述基于障碍函数的自适应滑模控制器设计如下：
7.一种矿道环境下无人机抗风扰姿态控制装置，采用上述权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，包括：位置外环控制器，用于根据期望轨迹利用PID控制器控制无人机的位置子系统；姿态内环控制器，用于根据期望轨迹利用基于障碍函数的自适应滑模控制器控制无人机的姿态子系统。
...【技术特征摘要】
1.一种矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1位置外环控制，根据期望轨迹利用pid控制器控制无人机的位置子系统；s2姿态内环控制，根据期望轨迹利用基于障碍函数的自适应滑模控制器控制无人机的姿态子系统。
2.根据权利要求1所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，所述位置子系统的位置回路表示为式(1)，所述姿态子系统的姿态回路表示为式(2)：
3.根据权利要求2所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，所述s1位置外环控制中，根据期望轨迹获得无人机的期望位置和期望航偏角，无人机的期望位置和当前位置作为所述pid控制器的输入，所述pid控制器结合期望航偏角输出无人机的期望俯仰角和期望滚转角，以及输出无人机的其中一个控制输入量，用于控制四旋翼无人机其中一个螺旋桨。
4.根据权利要求3所述的矿道环境下无人机抗风扰姿态控制方法，其特征在于，所述s2姿态内环控制中，无人机当前的滚转角、俯仰角和偏航角、期望航偏角、期...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，周京科，杨嘉豪，曾紫媛，康旭宇，陈启玲，樊慧津，王博，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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