[发明专利]一种基于DIC-PID的四旋翼飞行器姿态与位置的混合控制方法

说明书

本发明公开了一种基于DIC‑PID的四旋翼飞行器姿态与位置的混合控制方法，包括以下步骤：步骤1：将四旋翼飞行器当作单刚体，通过牛顿‑欧拉方程获得其非线性动力学模型，确立系统的输入输出关系；步骤2：基于DIC动态逆控制理论针对四旋翼飞行器的内回路进行姿态控制，形成内环姿态控制器；步骤3：基于PID理论针对四旋翼飞行器的外回路进行位置控制，形成外环位置控制器，实现姿态与位置通道的解耦控制；步骤4：在仿真环境下，通过阶跃响应和跟踪上升螺旋线检验所提出的控制方法。本发明所述混合控制方法对外界扰动与未建模动态有较好的抑制能力，能够满足四旋翼飞行器姿态控制与位置控制的需求。

技术领域

本发明涉及四旋翼飞行器姿态与位置的解耦控制领域，特别涉及一种基于DIC-PID的四旋翼飞行器姿态与位置的混合控制方法。

背景技术

随着航空技术、传感器技术及通信技术的发展，无人机因其巨大的应用前景而受到人们的广泛关注。在所有类型的无人机中，四旋翼飞行器机械结构简单，易于拆装，具有垂直起降、定点悬停的功能，因此它也是国内外学者热衷研究的对象。然而，四旋翼是一个非线性、强耦合的欠驱动系统，其动力学方程并不满足叠加性与齐次性，故要实现其高精度的姿态与位置控制难度颇大。

针对上述问题，国内外的学者们对四旋翼飞行器的控制策略进行了一系列相关研究，包括反步法控制、自抗扰控制、自适应滑模控制等。近年来的研究表明基于动态逆控制(Dynamic inversion control，简称DIC)来设计四旋翼的控制器是一种有效途径。DIC的基本原理是通过构造系统的全局状态反馈来消除系统的非线性，使原系统转变为新的线性系统。例如，利用DIC理论分别设计了四旋翼的内外回路控制，实现了姿态与位置的解耦控制。

但是，这种单纯的DIC控制策略会因外界扰动与建模不确定性而导致控制效果不佳。因此，考虑多种控制策略结合的方法受到学者们的青睐。例如：

将DIC理论与定量反馈理论相机和设计了四旋翼姿态回路的鲁棒控制器，并在气动参数摄动的情况下验证了控制器的有效性。

在系统回路中引入模型参考自适应与DIC结合的方法设计了PX4四旋翼的姿态与位置控制律，仿真结果表明该控制器能较快适应外界扰动与负载变化。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于DIC-PID的四旋翼飞行器姿态与位置的混合控制方法，该控制方法对外界扰动与未建模动态有较好的抑制能力，能够满足四旋翼飞行器姿态控制与位置控制的需求。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于DIC-PID的四旋翼飞行器姿态与位置的混合控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将四旋翼飞行器当作单刚体，通过牛顿-欧拉方程获得其非线性动力学模型，确立系统的输入输出关系；

步骤2：基于DIC动态逆控制理论针对四旋翼飞行器的内回路进行姿态控制，形成内环姿态控制器；

步骤3：基于PID理论针对四旋翼飞行器的外回路进行位置控制，形成外环位置控制器，实现姿态与位置通道的解耦控制；

步骤4：在仿真环境下，通过阶跃响应和跟踪上升螺旋线检验所提出的控制方法。

进一步的，在步骤1中具体包括：

在机体坐标系O_BX_BY_BZ_B下，四旋翼飞行器产生的升力F＝[F₁ F₂ F₃ F₄]^T正向O_BZ_B方向；