一種采用串級自抗擾控制技術的四旋翼飛行器懸?？刂品椒?br>【技術領域】
[0001] 本發(fā)明應用于無人機控制領域，設及到四旋翼飛行器的懸?？刂茊栴}，尤其是如 何消除系統(tǒng)內部參數(shù)攝動和存在外部干擾擾動對四旋翼飛行器懸停控制系統(tǒng)性能的影響， 實現(xiàn)一種有效的實時控制方法。
【背景技術】
[0002] 四旋翼飛行器是四獎非共軸多旋翼飛行器的簡稱。作為非共軸多旋翼飛行器的代 表，與固定翼無人機相比，具有結構簡單、體積小、隱蔽性強、載荷高、可垂直起降、定點懸停 和低速飛行等優(yōu)勢，能執(zhí)行各種危險的特殊任務，比如航拍、災害現(xiàn)場監(jiān)視與求援、低空偵 探與檢測等，在民用領域和軍事領域均體現(xiàn)出極高的研究和應用價值。
[0003] 本發(fā)明主要考慮如何降低甚至消除系統(tǒng)內部參數(shù)攝動和存在外部干擾擾動對四 旋翼飛行器懸?？刂葡到y(tǒng)性能的影響。針對四旋翼飛行器懸?？刂茊栴}，目前使用的方法 主要有PID控制、反步控制、嵌套飽和控制等?；赑ID的四旋翼飛行器懸?？刂破鲗⒖刂?系統(tǒng)分為幾個獨立的通道，分別設計相應的PID控制算法，該方法具有控制技術成熟、易于 實現(xiàn)的特點，但是其抗干擾性較差，如環(huán)境改變即要重新調整參數(shù)?；诜床椒ǖ乃男盹w 行器懸停控制器通過系統(tǒng)的狀態(tài)方程設計虛擬控制，構造合適的Lyapunov函數(shù)來求控制 律，具有良好的跟蹤性能、且具有無超調、調節(jié)時間快的優(yōu)點，但是該方法針對滿足嚴格反 饋控制結構的系統(tǒng)，對系統(tǒng)要求高。基于嵌套飽和的四旋翼飛行器懸?？刂凭哂杏嬎懔啃?、 魯椿性強和全局漸近穩(wěn)定的優(yōu)點，但是應用該方法需要將四旋翼動力學模型轉化為嚴格的 前饋級聯(lián)結構，而針對四旋翼飛行器該種欠驅動系統(tǒng)只能局部反饋線性化，不能完全反饋 線性化。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明要克服上述提到的現(xiàn)有控制方法的局限性，采用串級自抗擾技術設計四旋 翼飛行器懸?？刂撇呗?，可W有效地將系統(tǒng)的模型不確定性和系統(tǒng)內外部擾動估計用擴張 狀態(tài)觀測器實時估計并補償，此方法對系統(tǒng)內外擾動W及模型不確定性均具有很強的抑制 能力。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案：
[0006] 一種采用串級自抗擾控制技術的四旋翼飛行器懸?？刂品椒ǎ╓下步驟：
[0007] 步驟1)建立四旋翼飛行器的動力學模型：
[0008] 四旋翼飛行器是一個多變量、高禪合、非線性的欠驅動系統(tǒng)，要對其設計控制器， 首先要建立合理而準確的動力學模型。四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)由S個角度（如鐘描 述，飛行位置由（x，y，z)描述。根據(jù)歐拉及牛頓定理建立小型四旋翼飛行器的動力學模型 為
[0009]
【主權項】
1. 一種采用串級自抗擾控制技術的四旋翼飛行器懸停控制方法，包括以下步驟： 步驟1)建立四旋翼飛行器的動力學模型： 四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)由三個角度以,久爐)描述，飛行位置由（x，y，z)描述；根據(jù)歐 拉及牛頓定理建立小型四旋翼飛行器的動力學模型為
其中，m為四旋翼飛行器的質量，1為四旋翼的旋翼臂展，Ixx、Iyy、Izz分別為X軸、y軸 和z軸的慣量，Ωρ Ω2、Ω#Ρ Ω 4為螺旋槳的角速度，b是推力系數(shù)，d是阻力系數(shù)； 選擇狀態(tài)向量X為
則將（1)表示為狀態(tài)空間模型為
步驟2)設計串級ADRC控制器，過程包括： 根據(jù)其建模動力學方程雙回路、多子系統(tǒng)的結構的特點，可以將懸?？刂破髟O計為串 級結構，內環(huán)為姿態(tài)環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)； 2. 1)外環(huán)控制器設計； 四旋翼飛行器的外環(huán)為位置環(huán)，外環(huán)控制分為3個獨立的回路，分為X軸控制回路、y軸 控制回路和z軸控制回路；自抗擾控制器由跟蹤控制器、擴張狀態(tài)觀測器、線性狀態(tài)誤差反 饋； (211) 跟蹤微分器，用來安排過渡過程，給定信號Vtl作為參考輸入
其中，參數(shù)A為跟蹤微分器的快速因子； (212) 擴張狀態(tài)觀測器，對系統(tǒng)的狀態(tài)和擾動進行實時估計與補償
其中，βΜ、β%、^ci3為一組待整定的參數(shù)，參數(shù)的選取可以通過極點配置取β i= 3ω〇，β2=3ω 〇2，β3= ω 〇3; (213)狀態(tài)誤差反饋控制律；
其中，1^和1^分別為比例和微分系數(shù)，可以通過極點配置取1^=?。2，1^=2?。； 2. 2)內環(huán)控制器的設計； 四旋翼飛行器的內環(huán)為姿態(tài)環(huán)，分為3個獨立的控制回路，橫滾角控制回路、俯仰角控 制回路和偏航角控制回路； 自抗擾控制器包括跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器、狀態(tài)誤差反饋控制律三部分，其設計 過程如下： (221) 安排過渡過程，給定信號Vtl作為參考輸入
其中，fhan(e，v2, 為最速跟蹤控制綜合函數(shù)，參數(shù)Γ(ι為跟蹤微分器的快速因子， 參數(shù)b為跟蹤微分器的濾波因子，h為積分步長； (222) 擴張狀態(tài)觀測器，對系統(tǒng)的狀態(tài)和擾動進行實時估計與補償，
其中，fal(e，0.25, δ)為非線性函數(shù)，δ、βαι、βα2、0。3為一組待整定的參數(shù)； (223) 狀態(tài)誤差反饋控制律
其中，參數(shù)C為阻尼因子，fhan(ei，ce2，r，h)為最速跟蹤控制綜合函數(shù)，其表達式為
【專利摘要】一種采用串級自抗擾控制技術的四旋翼飛行器懸?？刂品椒?，包括以下步驟：1)根據(jù)歐拉及牛頓定理建立四旋翼飛行器的動力學模型，并解耦為雙回路、多子系統(tǒng)的結構；2)其次，根據(jù)四旋翼飛行器系統(tǒng)的自身結構特點，設計串級自抗擾控制器，為獲取較好的內環(huán)輸入信號，對外環(huán)設計線性ADRC控制器；同時，設計內環(huán)非線性ARDC控制器以獲得更好的跟蹤性能；3)針對系統(tǒng)內部參數(shù)攝動和存在外部干擾等不確定性，引入擴張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的狀態(tài)和內外擾動進行實時估計，并利用非線性誤差反饋控制率進行補償，消除了內外擾動的影響。本發(fā)明對針對四旋翼飛行器系統(tǒng)內部參數(shù)攝動和存在外部干擾等不確定性均具有很強的抑制能力。
【IPC分類】G05B13-04, G05D1-10
【公開號】CN104865968
【申請?zhí)枴緾N201510192441
【發(fā)明人】張丹, 葉孝璐, 肖紫陽
【申請人】浙江工業(yè)大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年4月22日