[发明专利]无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器

说明书

技术领域

本发明涉及无人飞行器姿态控制技术领域，尤其是涉及一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器。

背景技术

无人飞行器适用于危险和难以进入环境中的遥感，监视，运输和矿物勘探等应用。与传统直升机相比，四旋翼飞行器具有以下优点：取消了传统直升机的尾翼，四个旋翼配对以相反方向旋转从而抵消了力矩。此外，四个旋翼增加了四旋翼飞行器的机动性和有效载荷能力，且四旋翼可以在没有复杂的机械联动控制下改变气动力和力矩。

国内外学者对四旋翼的姿态和位置控制器的设计已经有了许多研究。直升机动力学涉及参数摄动、非线性、耦合和外部干扰等不确定性。Altug以及Hoffmann等人分别设计了比例·微分(PD)和比例·积分·微分(PID)控制器来完成对旋翼无人机的姿态控制，但闭环系统的跟踪性能未考虑不确定性的影响。Castill等人使用基于嵌套饱和度的非线性控制方法完成了对微型四旋翼飞行器的实时稳定跟踪。Bertrand等人使用单调扰动理论设计了微型VTOL无人机的分级控制器。Tayebi等人使用非线性反馈的分层控制方法控制律完成了对VTOL四旋翼飞行器的姿态稳定设计，这些方法适用于基于准确直升机模型来设计非线性控制器的情况，设计时考虑了非线性动力学和耦合的影响，但并未充分讨论如何限制参数不确定性和未建模不确定性的影响。Alexis等人设计了一种切换模型预测应用控制器和命令滤波控制器，分别实现了四旋翼的姿态控制和位置控制，设计中考虑的不确定性仅局限于模拟或实验中的时间不变性，其他类型不确定性对跟踪性能的影响在其闭环系统的稳定性分析中没有得到充分讨论。

综上所述，目前国内外学者设计的四旋翼飞行器控制器并不能完善的考虑到多重不确定性对飞行器的影响，不同的设计方法各有其局限之处。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法及无人飞行器，以缓解现有的四旋翼飞行器的设计不能完善地考虑到多重不确定性对飞行器的影响，导致其跟踪性能较差的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种无人飞行器的鲁棒姿态控制方法，包括：

获取检测的四旋翼飞行器的飞行参数；

将所述飞行参数输入至鲁棒控制器，所述鲁棒控制器包括：PD控制器和鲁棒补偿器；

将所述PD控制器和所述鲁棒补偿器导入四旋翼飞行器模型中，得到目标控制量；

控制所述四旋翼飞行器按照所述目标控制量飞行。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述飞行参数包括：俯仰角、滚动角和偏航角；

所述目标控制量包括：俯仰角、滚动角和偏航角的输出量。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述四旋翼飞行器模型为：

其中，θ(t)是俯仰角，φ(t)是滚动角，ψ(t)是偏航角；a_i(i＝θ,φ,ψ)是正数；ω_i(t)(i＝1,2,3,4)分别是四个旋翼的转速；u_i(t)(i＝1,2,3)为控制输入，

b₁＝a_θl_rgk_ω,b₂＝a_φl_rgk_ω,b₃＝a_ψk_fmk_ω，l_rg为每个电动机与机体质心的距离，k_fm为力到力矩的比例系数；

是b_i(i＝1,2,3)的标称参数；

q_i(t)(i＝1,2,3)为等效干扰。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述鲁棒控制器的控制律为：

其中，为PD控制器的控制输入；为鲁棒补偿器的控制输入。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述PD控制器的控制律为：

其中，r_i(t)(i＝1,2,3)为俯仰角、滚动角和偏航角的参考信号，为r_i(t)(i＝1,2,3)的二阶导数；