[发明专利]一种四旋翼无人机复合连续快速终端滑模姿态控制方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人机复合连续快速终端滑模姿态控制方法，首先建立四旋翼无人机姿态回路的受扰动力学模型，而后建立四旋翼无人机姿态角跟踪误差动态的滚转、俯仰、偏航三通道解耦方程；而后基于扩张状态观测器算法，针对滚转、俯仰、偏航三通道设计干扰观测器，以实现三通道集总干扰的估计；最后基于快速终端滑模算法结合集总干扰估计信息，构建姿态回路的复合连续快速终端滑模控制器。本发明避免了抖振现象；通过对干扰的估计与前馈补偿，显著提升了控制系统的抗干扰能力。本发明相比于传统的滑模控制方法，具备更快的收敛速度、更强的抗干扰性能，并且有效地抑制了多源干扰对四旋翼无人机姿态控制性能的影响。

技术领域

本发明属于飞行控制技术领域。

背景技术

四旋翼无人机因其结构简单、尺寸紧凑、具有较高的灵活性，在民用、军用等众多领域获得广泛的应用。四旋翼无人机通过调整姿态来实现特定轨迹的跟踪进而执行飞行任务，因此高精度姿态跟踪控制是四旋翼无人机飞行控制系统设计的关键。四旋翼无人机姿态系统的动态是一个本质非线性、强耦合、多输入多输出的系统，并且飞行过程中会受到外部环境干扰、内部气动参数摄动、未建模动态等多源干扰的影响，这些因素给四旋翼无人机姿态控制系统设计带来巨大挑战。

滑模控制算法因其设计简单和强鲁棒性而在四旋翼无人机姿态控制系统设计中获得广泛应用。现有滑模控制算法在进行姿态控制器设计时，通常依靠自身鲁棒性对多源干扰进行抑制，因此无法对多源干扰影响进行快速地抑制；除此之外，由于需要依靠自身的鲁棒性压制干扰的影响，现有方法通常采用符号函数作为切换项，进而带来严重的抖振问题。因此需要提出一种能够保证系统控制量连续的情况下并且具有强抗干扰能力和快速收敛性能的姿态系统控制方法。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种四旋翼无人机复合连续快速终端滑模姿态控制方法。

技术方案：本发明提供了一种四旋翼无人机复合连续快速终端滑模姿态控制方法，具体包括如下步骤：

S1、建立四旋翼无人机姿态回路系统的受扰动力学模型；

S2、对作用在机身坐标系下的x轴、y轴和z轴的力矩τ_x、τ_y和τ_z进行三通道解耦，得到三通道虚拟力矩，并基于该三通道虚拟力矩建立四旋翼无人机姿态角跟踪误差动态的三通道解耦方程，所述三通道包括滚转通道、俯仰通道和偏航通道；

S3、针对S2中的三通道解耦方程，设计滚转通道、俯仰通道和偏航通道扩张状态观测器；

S4、设计四旋翼无人机姿态回路快速终端滑模面；

S5、对S2中的三通道虚拟力矩进行反解得到四旋翼无人机姿系统实际控制量，针对S2中无人机姿态角跟踪误差动态的三通道解耦方程，结合S3中的三通道扩张状态观测器观测的干扰估计信息以及S4中的四旋翼无人机姿态回路快速终端滑模面，设计三通道复合快速终端滑模虚拟控制器，实现四旋翼无人机姿态的控制。

进一步的，所述S1中四旋翼无人机姿态回路系统的受扰动力学模型为：