[发明专利]一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法

说明书

本发明公开了一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法，包括步骤：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；步骤二、将非线性动态模型分解为线性项和不确定项；步骤三、利用跟踪微分器求取高度方向位置和速度期望值；步骤四、利用一阶扩张状态观测器估计系统中的扰动项；步骤五、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。本发明通过利用改进的跟踪微分器规划高度飞行策略，构造了一种加速‑匀速‑减速的飞行模式使四旋翼无人机可以以最短时间从一个高度上升(或下降)到另一高度；且飞行时的最大加速度和匀速段的速度可自主设置。

技术领域

本发明属于无人机自动控制领域，具体涉及一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方 法。

背景技术

无人机的稳定控制是无人机系统研究的核心和重点之一，它的研究不仅具有重大的现实 意义，而且具有深远的理论意义。

目前四旋翼无人机在市场上已经相当普遍，但是设计抗干扰能力强的飞控系统仍是比较 困难的问题。尤其是考虑无人机携带负载的情况时，实现高度方向的稳定控制是一个具有挑 战性的难题。

在过去的几十年，各种控制算法被研究、运用在无人机的稳定控制中。常用的控制器有 PID控制器、反步法控制器、滑模控制器等。其中PID控制器因为其简单、高效的优点被广 泛的应用于现代无人机控制系统中。但是，PID控制器的控制效果过分的依赖于比例、积分、 微分这三个参数的设定，在受到外力干扰时，其控制效果容易受到较大的影响。因此设计一 种具有良好抗扰能力的控制器十分必要。

自抗扰控制技术由中国科学院系统科学研究所韩京清研究员提出，该控制方法主要由三 部分组成：跟踪微分器、误差反馈控制器以及扩张状态观测器，在不依赖系统精确模型的情 况下仍然具有良好的鲁棒控制效果。近年来，该控制方法在无人机的飞行控制中得到了一定 的应用，但是目前自抗扰控制器参数整定方法较少，非线性结构仍较为复杂，实际运用具有 一定难度；此外，目前应用事例多见于无人机姿态控制上，而在高度控制或者水平方向仍未 有成功应用的事例。因此对自抗扰控制器进行一定的简化，并应用于四旋翼无人机的高度抗 扰控制具有重要的工程意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何对自抗扰控制算法进行一定的改进后，应用于四旋 翼无人机的高度控制上，使之具备较好的鲁棒性能，因此，提供了一种改进自抗扰的四旋翼 无人机高度控制方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种改进自抗扰的四旋翼无人机高度控制方法，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；

步骤二、将非线性动态模型分解为线性项和不确定项；

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；

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。

本发明进一步的改进在于，步骤一中，基于机理建模法建立的四旋翼无人机非线性动态 模型为：

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。