[发明专利]一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法

权利要求书

1.一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、基于机理建模法建立四旋翼无人机高度方向的非线性动态模型，具体为：

式中，z为地理坐标系中无人机的高度，b为旋翼的升力系数，ω_i是四个电机的转速，i＝1,2,3,4，θ、φ分别是无人机的俯仰角和横滚角；m为无人机的质量，g为重力加速度，D_fz为分解到高度方向的外力干扰，fz中的f是单词force的缩写，是力的意思，z表示z轴，即高度方向；

该模型中，u为无人机高度方向的控制输入，也是无人机的四个旋翼能提供的升力；

步骤二、将非线性动态模型分解为线性项和不确定项，具体描述为：

式中u_z＝u cosφcosθ-mg，k_m＝1/m，q_z＝k_mD_fz，其中，k_mu_z是系统模型的线性项，q_z是系统模型的不确定项；

步骤三、在步骤二的基础上，利用跟踪微分器求取高度方向位置和速度期望值，如下：

式中，x₁(k)表示k时刻期望的高度，H表示最终期望到达的高度，x₂(k)表示k时刻期望的高度方向速度；h表示步长，h₀表示滤波因子，用于防止x₁(k)到达到最终高度H出现震荡，且h₀大于h；a_zmax是系统允许的最大加速度，V_zmax是系统允许的最大速度，Limit函数表示将期望速度x₂(k)的绝对值限制在V_zmax内；fhan又称为最速控制综合函数，该函数按以下步骤计算：

第一步、中间量计算：

第二步、求取fhan函数值：

式中，sign表示符号函数；

步骤四、在步骤三的基础上，利用一阶扩张状态观测器估计系统中的扰动项；

步骤五、在步骤四的基础上，设计基于PD算法和前馈控制的误差反馈控制律，并利用扩张状态观测器估计出的扰动项的值对系统不确定项进行补偿。

2.根据权利要求1所述的一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法，其特征在于，步骤四中，利用一阶扩张状态观测器估计不确定项的值：

式中，e_vz(k)表示k时刻速度估计的误差，z₁(k)表示估计的速度，v_z(k)表示传感器实测的速度，h表示步长，z₂是观测器估计的不确定项，u_z是控制量，β₀₁和β₀₂是观测器参数；当β₀₁和β₀₂取的足够大时，z₂值将足够接近不确定项q_z；假设观测器带宽为ω_z0，那么取β₀₁＝2ω_z0，

3.根据权利要求2所述的一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法，其特征在于，传感器实测速度通过超声波或气压计测量的高度和加速度计测量的加速度数据进行融合滤波算法得到。

4.根据权利要求2所述的一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法，其特征在于，步骤五中，设计基于PD算法和前馈控制的误差反馈控制律，并利用扩张状态观测器估计出的扰动项的值对系统不确定项进行补偿，如下：

式中，e_z1(k+1)是第k+1时刻期望高度和实际高度之间的误差，z(k+1)是k+1时刻的高度，e_z1(k+1)是第k+1时刻期望速度和实际速度之间的误差，u_z0(k+1)是针对线性项而选择的PD算法，k_zp和k_zd是相应的PD参数，fh相当于前馈项；u_z(k+1)在此基础上减去了不确定项的估计量z₂(k+1)，即对不确定项进行补偿。