[发明专利]一种基于干扰观测器的四旋翼无人机集群抗干扰编队控制方法

权利要求书

1.一种基于干扰观测器的四旋翼无人机集群抗干扰编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，构建含外力扰动的单体四旋翼耦合动力学模型；

步骤二，建立针对无人机所受外界风产生的力矩扰动的干扰观测器；然后，根据干扰观测器估计扰动值；

步骤三，根据干扰观测器估计的无人机领机x轴与y轴的扰动值，估计出风扰的方向，设计四旋翼抗干扰控制律；

步骤四，根据领机估计的风扰方向，在遇到外界扰动时，四旋翼集群的队形保持I字型，设计四旋翼集群抗干扰编队控制律，实现无人机集群编队的抗干扰控制；

所述步骤三设计四旋翼抗干扰控制律，具体如下：

结合四旋翼的动力学特点与耦合运动学模型，设计级联控制律，其中内环控制器控制四旋翼姿态：俯仰，横滚，偏航，高度，外环控制器控制四旋翼的位置：x轴，y轴；螺旋桨生成的力矩直接作用于四旋翼的姿态，由于四旋翼位移与姿态的二阶导数关系，相比于姿态环控制器，位置环的响应时间更长；具体过程如下：

步骤3.1.位置环控制器：

其中x_d、y_d、z_d和表示三轴位置期望和期望速度，x、y、z和表示三轴位置和速度，k_px、k_py、k_pz和k_dx、k_dy、k_dz表示三轴的比例增益与微分增益，u_x、u_y、u_z表示位置环三轴控制量，根据四旋翼的刚体运动学模型，得到横滚角与俯仰角的控制律：

φ_d、θ_d、ψ与g分别表示四旋翼的横滚角期望、俯仰角期望、偏航角与重力常量；

步骤3.2.姿态环控制器：

姿态环控制器接收参考的姿态角即俯仰角、横滚角控制输入，由四旋翼的运动学与动力学模型，偏航控制与俯仰、横滚控制存在耦合，而不考虑四旋翼的偏航控制，只通过俯仰与横滚的变化仍然能够实现飞行器的位置控制：

其中k_pφ,k_pθ,k_pψ与k_dφ,k_dθ,k_dψ分别表示横滚角、俯仰角、偏航角的比例与微分增益，通过反馈线性化方法，u_ψ、u_φ、u_θ表示偏航角速度，偏航角、横滚角与俯仰角的控制量；油门控制量T表示如下：

忽略空气阻力，简化的线性反馈控制律设计如下：

Ω＝-w₁+w₂-w₃+w₄

其中，L是四旋翼的臂长，w_i表示螺旋桨的转速，其中i＝1,2,3,4，T，τ_φ,τ_θτ_ψ表示机体各坐标轴的控制力矩，Ω分别表示俯仰角速度、偏航角速度、横滚角速度与螺旋桨转速差，J_yy、J_zz、J_xx、J_r分别表示三轴转动惯量与电机转动惯量，旋转力矩与螺旋桨升力的关系如下：

T＝F₁+F₂+F₃+F₄

τ_θ＝L(F₂-F₄)

τ_φ＝L(F₃-F₁)

τ_ψ＝K_yaw(F₁+F₃-F₂-F₄)

其中，F₁，F₂，F₃，F₄，K_yaw分别表示四旋翼四个螺旋桨的产生的升力与偏航系数，得到四个螺旋桨各自的升力控制信号；螺旋桨存在转速约束，故总升力存在一定约束，控制信号需要在此约束内。