本發(fā)明屬于無人機，具體涉及一種四旋翼無人機的姿態(tài)控制方法。

背景技術(shù)：

1、四旋翼飛行器，作為一種新興的航空器類型，以其獨特的飛行特性，如飛行穩(wěn)定、機動性強、垂直起降、自由懸停以及在狹窄空間飛行的能力，受到了廣泛的關(guān)注和應用，然而，由于四旋翼飛行器固有的非線性、強耦合、多變量欠驅(qū)動特性，其飛行控制算法的設(shè)計成為了一個復雜且具挑戰(zhàn)性的課題；

2、當前，針對四旋翼飛行器的飛行控制算法研究已經(jīng)取得了顯著的進展，包括線性二次型調(diào)節(jié)器(lqr)、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、魯棒控制以及非線性控制等方法，然而，這些方法在實際應用中均存在一定的局限性；

3、例如，神經(jīng)網(wǎng)絡控制和魯棒控制雖然具有較高的控制精度，但算法復雜且耗時，難以滿足四旋翼飛行器實時性要求較高的特點；非線性控制雖然可以實現(xiàn)較為精確的控制，但往往要求全狀態(tài)反饋或高精度傳感器，這在實際應用中往往難以實現(xiàn)；

4、近年來，自抗擾控制(adrc)方法因其強魯棒性和抗干擾能力而受到關(guān)注，adrc通過觀測系統(tǒng)擾動并對其進行實時補償，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的高精度控制；

5、然而，adrc方法在應用于四旋翼飛行器控制時仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，四旋翼飛行器的動力學模型復雜，參數(shù)眾多，使得adrc的參數(shù)整定變得極為繁瑣，其次，傳統(tǒng)的adrc算法在觀測系統(tǒng)擾動時可能受到噪聲的影響，導致觀測精度下降；

6、因此，針對adrc的改進型名為ladrc的方法應運而生，然而，其雖然簡化了參數(shù)整定部分，但卻由于缺少微分跟蹤器，導致ladrc方法可能會產(chǎn)生較大的超調(diào)，影響穩(wěn)態(tài)精度；

7、因此，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種改進的自抗擾控制方法，對ladrc進行改進，來解決上述的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種四旋翼無人機的姿態(tài)控制方法，能夠減少總干擾對觀測器中估計誤差的影響，準確估計和補償擾動，增強了系統(tǒng)對參數(shù)變化和外部擾動的魯棒性，并設(shè)計出了無人機基于ladrc-cfo的姿態(tài)控制方法，除此之外，為了提高控制系統(tǒng)的整體性能，尤其是在動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度和抗擾動能力方面，減少系統(tǒng)超調(diào)量，設(shè)計了微分跟蹤器加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)更快地達到期望的性能。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案具體如下：

3、一種四旋翼無人機的姿態(tài)控制方法，包括以下步驟：

4、s1：建立四旋翼無人機姿態(tài)動力學模型；

5、s2：建立無人機控制系統(tǒng)的運動方程以及狀態(tài)方程，并設(shè)計基于帶補償狀態(tài)觀測器的線性自抗擾的控制器；

6、s3：建立微分跟蹤器，用于減少系統(tǒng)的超調(diào)量。

7、本發(fā)明取得的技術(shù)效果為：

8、本發(fā)明設(shè)計具有導數(shù)形式的補償狀態(tài)觀測器(cfo)，通過引入補償函數(shù)，減少了總干擾對觀測器中估計誤差的影響，準確估計和補償擾動，增強了系統(tǒng)對參數(shù)變化和外部擾動的魯棒性，其次，通過設(shè)計cfo替換了ladrc中的leso，并設(shè)計出了無人機基于ladrc-cfo的姿態(tài)控制方法，除此之外，為了提高控制系統(tǒng)的整體性能，尤其是在動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度和抗擾動能力方面，減少系統(tǒng)超調(diào)量，設(shè)計了微分跟蹤器加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)更快地達到期望的性能。

1.一種四旋翼無人機的姿態(tài)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述s1中，無人機的動力模型描述為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的姿態(tài)控制方法，其特征在于：將強耦合關(guān)系歸類為內(nèi)部擾動χi，該i＝1，2，3；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述s2中，根據(jù)式(4)，將無人機的姿態(tài)動力學方程表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的姿態(tài)控制方法，其特征在于：采用具有導數(shù)形式的補償函數(shù)觀測器，用于克服leso的非導數(shù)形式問題，根據(jù)式(7)，可得：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的姿態(tài)控制方法，其特征在于：由式(15)得到，當特征方程的所有根位于左半平面內(nèi)時，補償觀測器穩(wěn)定，基于補償觀測器和pd控制器，將控制量u設(shè)計為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述s3中，微分跟蹤器的建立公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的姿態(tài)控制方法，其特征在于：由式(17)得到，姿態(tài)的控制律變?yōu)椋?/p>
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于無人機技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種四旋翼無人機的姿態(tài)控制方法，包括建立四旋翼無人機姿態(tài)動力學模型，并建立無人機控制系統(tǒng)的運動方程以及狀態(tài)方程，并設(shè)計基于帶補償狀態(tài)觀測器的線性自抗擾的控制器，最后建立微分跟蹤器，用于減少系統(tǒng)的超調(diào)量。本發(fā)明能夠減少總干擾對觀測器中估計誤差的影響，準確估計和補償擾動，增強了系統(tǒng)對參數(shù)變化和外部擾動的魯棒性，并設(shè)計出了無人機基于LADRC?CFO的姿態(tài)控制方法，除此之外，為了提高控制系統(tǒng)的整體性能，尤其是在動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度和抗擾動能力方面，減少系統(tǒng)超調(diào)量，設(shè)計了微分跟蹤器加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)更快地達到期望的性能。

技術(shù)研發(fā)人員：陶杰,周佳燁,彭慧,蕭子敬
受保護的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21