[发明专利]基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法。

背景技术

四旋翼无人机是一种能够垂直起降的、多旋翼式的新型无人飞行器。与常规旋翼式飞行器相比，四旋翼无人机的结构更为紧凑，能够产生更大升力，具有操控方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好等特点，无论是在军事领域还是在民用领域，都具有十分广阔的应用前景。

但是由于大部分四旋翼无人机体积小、重量轻，因此在飞行时信噪比较大。并且该种无人机是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统，具有非线性、多变量、强耦合和抗干扰能力弱的特性，因此使得飞行控制器设计变得非常困难。目前，国内外研究机构针对以上问题设计的单一飞行控制器大多只能在实验室内部无风环境下飞行，对于实验室外或实际工程中的复杂环境，尚没有一种控制器可以支持不同环境下的稳定飞行。

本发明设计了一种四旋翼无人机增稳混合控制方法，它应用混合控制的思想，将三个PID控制器和一个信号发生器相结合，可实现四旋翼无人机在起降、有风情况下切换相应的控制器，提高系统响应速度达到增稳的目的。并且当无人机失控时，信号发生器可激活失控保护装置，避免无人机坠毁。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法，用以解决目前设计的四旋翼无人机无法在复杂条件下稳定飞行的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于混合控制的四旋翼无人机增稳控制方法，其特征是所示方法包括：

步骤1：设定四旋翼无人机飞行状态变量并选取状态切换参数；

所述四旋翼无人机飞行状态变量包括：四旋翼无人机的经度x、纬度y、高度z、滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ；

所述四旋翼无人机状态切换参数包括：四旋翼无人机的高度z、滚转角φ和俯仰角θ；

步骤2：设定四旋翼无人机的状态切换参数值，其中包括：高度切换值z_T、滚转角切换值φ_T、俯仰角切换值θ_T、滚转角临界值φ_max和俯仰角临界值θ_max；

步骤3：设定离散状态集合包括元素：起降飞行状态、正常飞行状态、增稳飞行状态和失控保护状态；

步骤4：设定离散状态迁移过程和其对应的离散事件集合；其中，所述离散状态迁移过程包括：起降飞行状态迁移至正常飞行状态、起降飞行状态迁移至增稳飞行状态、正常飞行状态迁移至起降飞行状态、正常飞行状态迁移至增稳飞行状态、正常飞行状态迁移至失控保护状态、增稳飞行状态迁移至起降飞行状态、增稳飞行状态迁移至正常飞行状态和增稳飞行状态变迁移至失控保护状态；所述离散事件集合为离散状态迁移过程所对应的事件组成的集合；

步骤5：设定四旋翼无人机离散状态迁移条件，包括：

当四旋翼无人机的高度z≤z_T时，四旋翼无人机处于起降飞行状态；

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角0≤φ≤φ_T或者俯仰角0≤θ≤θ_T时，四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态；

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角φ＞φ_max或者俯仰角θ＞θ_max时，四旋翼无人机迁移至失控保护状态；

当四旋翼无人机的高度z＞z_T并且滚转角φ_T＜φ≤φ_max或者俯仰角θ_T≤θ≤θ_max时，四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态；

步骤6：判断四旋翼无人机的状态，当四旋翼无人机处于起降飞行状态时，执行步骤7；当四旋翼无人机迁移至平稳飞行状态时，执行步骤8；当四旋翼无人机迁移至增稳飞行状态时，执行步骤9；当四旋翼无人机迁移至失控保护状态时，执行步骤10；

步骤7：设计起降控制器，对起降控制器进行PID参数整定，使系统响应时间小于第一设定值；

步骤8：设计平稳控制器，对平稳控制器进行PID参数整定，使系统超调量小于第二设定值；

步骤9：设计增稳控制器，对增稳控制器进行PID参数整定，使系统响应时间小于第三设定值；

步骤10：设计失控保护装置，将四旋翼无人机的飞行控制器输出与信号发生器连接，信号发生器输出连接降落伞弹出装置。

所述对起降控制器进行PID参数整定具体是，设定比例系数，微分时间常数和积分时间常数。