[发明专利]基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法

说明书

本发明涉及一种基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，在四旋翼无人机的动力学模型和推进器模型的基础上，通过积分滑模控制得到积分滑模控制率；采用扩张状态观测器，根据四旋翼无人机系统的输入和输出对系统所受到的外界干扰进行估计，得到系统所受干扰的估计值，然后对积分滑模控制率进行补偿。本发明确保了四旋翼无人机跟踪期望输入的精度，具有很强的抗干扰能力。

技术领域

本发明属于四旋翼无人机技术领域，具体涉及一种基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，以及人们对智能化设备越来越大的需求，无人机开始走进人们的生产、生活，甚至军事活动当中，也吸引了一大批科研工作者的注意力，致力于提高其飞行性能，并扩大其应用范围。而四旋翼无人机凭借其诸多优势，如结构简单，飞行灵活，成本较低，尤其是垂直起降等，成为了无人机研究领域中的一大热点。

虽然四旋翼无人机结构相对简单，但由于其本身是欠驱动非线性系统，各状态变量间又具有很强耦合性，因此其控制相对复杂。目前，众多国内外学者对无人机的控制问题进行了研究并提出了相应方法。比例-积分-微分控制器(PID控制)和线性二次调节器(LQR)控制设计简洁灵活但对模型精度要求较高；反步法、反馈线性化能较好地解决四旋翼无人机模型中的非线性及耦合但抗扰动能力不足，从而限制了这些方法在实际控制中的应用；自适应控制、滑模控制、积分滑模控制等非线性控制方法在解决四旋翼飞行器系统模型非线性的基础上，考虑了系统中的不确定性以提高系统的控制精度。如何在复杂环境下实现无人机的稳定控制值得进一步研究。

滑模控制是抑制外界扰动和不确定性的一种有效的非线性控制方法，其表现为控制的不连续性，可根据系统当前的状态，有目的地不断变化，使系统按照预定的滑模面运动。但滑模控制在到达滑模面之前的趋近过程中没有抗扰动能力，于是有学者提出了积分滑模控制来消除趋近过程。但是由于符号函数的存在，滑模控制的控制量和输出都存在抖振现象，且需要抑制的干扰越大，抖振现象越明显，这种现象在许多执行机构当中是不可容忍的。扩张状态观测器是估计系统所受扰动的有效方式，能够根据扰动的变化对系统控制量进行补偿，减小外界扰动对系统控制的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于扩张状态观测器的的四旋翼无人机积分滑模控制方法，通过扩张状态观测器估计外界扰动，补偿积分滑模控制器，进一步加强无人机的抗扰动能力。

本发明技术方案提供一种基于扩张状态观测器的四旋翼无人机积分滑模控制方法，在四旋翼无人机的动力学模型和推进器模型的基础上，通过积分滑模控制得到积分滑模控制率；采用扩张状态观测器，根据四旋翼无人机系统的输入和输出对系统所受到的外界干扰进行估计，得到系统所受干扰的估计值，然后对积分滑模控制率进行补偿。

而且，根据牛顿-欧拉原理得到四旋翼无人机的动力学模型，实现如下，

其中，g为重力加速度，x,y,z为无人机在地球坐标系下的位置坐标，分别为x,y,z的二阶导数，m为飞行器质量，J_x,J_y,J_z分别表示x轴，y轴，z轴的转动惯量，F_i表示第i个旋翼产生的推力，L表示每个旋翼到无人机质心的距离，c为力到力矩的转换系数；φ,θ,ψ分别为飞行器的俯仰角，滚转角和偏航角，分别为φ,θ,ψ的二阶导数。

而且，对四旋翼无人机推进器进行建模，实现如下，

将四个无刷直流电机近似为一个惯性环节，电机转速与旋翼产生的升力近似为线性关系，则输入电机的PWM信号与各旋翼升力之间的关系为：

其中，s为拉普拉斯变换中的复变量，F_i为第i个旋翼产生的推力，u_i表示输入电机的PWM信号，ω表示信号带宽，K表示正向增益，则四旋翼无人机各旋翼的总升力和升力差表示为，