[发明专利]无人机姿态控制系统

说明书

本发明提出一种无人机姿态控制系统，包括姿态解算单元，用于接收外界扰动作，并根据外界扰动作生成第一输出量；姿态控制单元，与所述姿态解算单元相连，用于根据外界输入和所述第一输出量生成第一控制量，所述姿态控制单元包括PID控制器和鲁棒控制器，所述PID控制器用于控制所述无人机姿态所述第一控制量的线性部分，所述鲁棒控制器用于控制所述无人机姿态所述第一控制量的非线性部分；执行单元，与所述姿态控制单元相连，根据所述第一控制量以驱动所述执行单元，控制所述无人机的姿态。本发明的无人机姿态控制系统，可以大幅提高无人机姿态控制的响应速度和准确性，最大程度的抑制外界扰动，保证恶劣飞行条件下无人机姿态控制的稳定性。

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制领域，特别涉及一种无人机姿态控制系统。

背景技术

随着科技的进步，传感装置变得微型化、轻量化，同时性能也得到不断提升，使得无人机系统在近年来得到了飞速的发展，尤其在军事和民用等领域拥有极大的发展前景。然而，由于小型无人机的空气动力学特性复杂，是一个欠驱动、强耦合、受低空气流扰动影响大的系统，对其飞行控制的研究具有很高的挑战性和重要的实际意义。姿态控制系统是无人机飞行控制系统的重要组成部分，其响应无人机姿态变化，同时根据目标姿态输出控制量，保证无人机能够快速、准确响应外界输入，同时最大程度抑制外界扰动。

无人机的机理数学模型是一个复杂的高阶非线性模型，为了简化设计，姿态控制单元会将该机理数学模型在平衡点附近近似为线性模型，采用PID控制器。但是线性模型控制方法也存在着性能不高、鲁棒性和抗扰动能力有限等局限性，在有强烈扰动等非正常情况下，不能快速、准确抑制外界扰动，导致无人机姿态不平稳，甚至存在坠机风险。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。

为此，本发明的一个目的在于提出一种无人机姿态控制系统，提升无人机姿态控制的响应速度和准确性。

为了实现上述目的，本发明实施例的无人机姿态控制系统，包括姿态解算单元，所述姿态解算单元用于接收外界扰动作，并根据外界扰动作生成第一输出量；姿态控制单元，所述姿态控制单元与所述姿态解算单元相连，所述姿态控制单元用于根据外界输入和所述第一输出量生成第一控制量，所述姿态控制单元包括PID控制器和鲁棒控制器，所述PID控制器用于控制所述无人机姿态所述第一控制量的线性部分，所述鲁棒控制器用于控制所述无人机姿态所述第一控制量的非线性部分；执行单元，所述执行单元与所述姿态控制单元相连，根据所述第一控制量以驱动所述执行单元，控制所述无人机的姿态。

根据本发明实施例的无人机姿态控制系统，通过采用PID控制器和鲁棒控制器的互补配置，可以大幅提高无人机姿态控制的响应速度和准确性，最大程度的抑制外界扰动，保证恶劣飞行条件下无人机姿态控制的稳定性。

另外，根据本发明上述实施例的无人机姿态控制系统还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述外界输入包括遥控器、手机、PC地面站。

进一步地，所述外界扰动作包括强风、桨受损。

进一步地，所述无人机姿态的机理数学模型表示为：

其中θ、φ和ψ为所述姿态解算单元输出的姿态角度，u₁、u₂和u₃为所述姿态控制单元输出量，q₁、q₂、q₃为等价扰动项，表示数学模型中的非线性部分，为常量系数。

进一步地，所述PID控制器和鲁棒控制器采用互补配置时，所述第一控制量为PID控制器和鲁棒控制器输出的叠加，表示为：

其中为所述PID控制器输出，为所述鲁棒控制器输出。