[发明专利]一种干扰自主免疫的无人机姿态控制系统及实现方法

说明书

本发明涉及一种干扰自主免疫的无人机姿态控制系统及实现方法，首先，建立无人机姿态控制系统多源干扰模型；其次，设计内环标称姿态控制器，保证无人机在标称情形下的姿态跟踪性能；然后，设计外环干扰观测器，对无人机姿态控制系统所受的外部干扰和建模误差进行实时估计与补偿；最后，通过合理选取外环干扰观测器参数，保证闭环系统的鲁棒性能。本发明改进了现有复合抗干扰控制器结构，通过将干扰观测器置于外环，实现了标称性能与鲁棒性能的解耦设计，增加了控制器的可剪裁性，保证了无人机姿态控制系统的干扰自主免疫能力，可解决战略侦察、抗震救灾、环境监测等任务中的无人机抗干扰控制问题。

技术领域

本发明涉及一种干扰自主免疫的无人机姿态控制系统及实现方法，应用于战略侦察、抗震救灾、环境监测等涉及无人机抗干扰控制的领域。

背景技术

近年来，无人机技术的发展呈现出低成本、小型化、集成化、任务类型多样化、作业环境复杂化等趋势，随之而来的问题是无人机姿态控制系统面临的干扰与不确定因素显著增加，对无人机姿态控制系统的自主抗干扰能力提出了严峻挑战。

无人机姿态控制系统受到的干扰因素大致可分为三类：第一类是阵风、气动干扰等外部干扰，第二类是执行器误差、机构振动等内部干扰，第三类是参数漂移、未建模动态等模型不确定性。其中，阵风干扰和未建模动态是影响无人机姿态控制精度的主要干扰类型。传统的无人机姿态控制方法大都将干扰视作一有界变量，通过增大闭环控制器增益达到抑制干扰的效果，这些方法由于未能充分利用干扰动态特性，因而精度有限，严重时会导致姿态振荡或发散。为进一步提升干扰影响下的姿态控制系统精度，近年来，相关学者提出了复合抗干扰姿态控制方法，其主要思想是针对主要干扰建立其动力学模型，设计内外环结构的复合控制器，实现基于干扰在线补偿的抗干扰控制。其中，内环的干扰观测器对主要干扰进行实时估计与补偿，外环的反馈控制器则用于保证闭环控制系统的稳定性和鲁棒性。复合抗干扰姿态控制方法可实现多类干扰的同时补偿与抑制，有效地提升了无人机姿态控制系统的抗干扰能力。

现有的无人机复合抗干扰姿态控制方法均将干扰观测器置于内环，且首先设计干扰观测器，再根据干扰观测器参数设计外环反馈控制器。该设计方法要求设计干扰观测器时必须同时改变姿态控制系统原有的控制器参数，可剪裁性不足。针对这一问题，本发明提出了干扰自主免疫的无人机姿态控制系统设计方法，这一设计方法的主要思想是将干扰观测器置于外环，且设计干扰观测器时无需改变原有的标称姿态控制器参数，此时，内环的标称姿态控制器仅需保证姿态控制系统的标称跟踪性能，而外环的干扰观测器则用于保证闭环控制系统的鲁棒性和抗干扰性，实现无人机姿态控制系统对外部干扰和建模误差的自主免疫。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对无人机姿态控制系统同时受到外部干扰和建模误差影响时精度和鲁棒性下降，现有抗干扰姿态控制系统设计方法可剪裁性不足的问题，提供一种干扰自主免疫的无人机姿态控制系统及实现方法，将干扰观测器置于复合控制器的外环，在选取干扰观测器参数时将含有内环标称姿态控制器的无人机姿态控制系统视作一广义对象，使相应参考输出对干扰输入的抑制比最优。这一设计方法的特点在于：一方面，内环标称姿态控制器可以与干扰观测器解耦设计，仅需保证无人机姿态控制系统的标称跟踪性能，因而增加了干扰观测器的可剪裁性；另一方面，在外环干扰观测器设计时，既利用了干扰模型信息对主要干扰进行实时估计与补偿，又优化了相应参考输出对干扰输入的抑制比，保证了闭环控制系统的干扰抑制效果，实现了无人机姿态控制系统对干扰的自主免疫。