一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机姿态控制方法

一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机姿态控制方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机姿态控制方法，可以解决四旋翼无人机抓取或抛投物品等导致的惯量强不确定性，进而带来的高精度控制难题，属于无人机飞行控制应用技术领域。

　　背景技术

　　四旋翼无人机因其体积小、机动性高等优点，可以在狭小空间内完成复杂任务，在军事、民用和科学研究等诸多方面都有十分广泛的应用，如电力巡检、森林防火等任务。

　　四旋翼无人机抓取或抛投物品后的高精度姿态稳定控制仍面临巨大的挑战。首先，抓取或抛投物品对四旋翼无人机的整体质量有较大影响，物品质量越大影响越大，亟需通过更加有效的控制算法提高四旋翼对抓取或抛投物体前后的姿态稳定控制；其次，由于作业环境中可能存在复杂多变的外部干扰，对本就难以稳定的四旋翼无人机姿态控制产生进一步的影响，严重危害控制精度和系统稳定性。这些来自抓取或抛投物体质量的不确定性和外部环境干扰会给四旋翼无人机姿态控制造成严重影响，导致系统失控，无法完成既定任务，因此迫切需要提高四旋翼无人机抓取物品时的惯量强不确定适应性和对干扰的处理能力。

　　目前，针对四旋翼无人机姿态控制的问题，国内外专家学者提出很多方法，其中经典PID控制方法利用姿态误差结合三维方向的力矩进行控制，在实际工程中得到了广泛的应用。专利申请号201810232837.7中提出一种低功耗的四旋翼无人机大角度复杂姿态跟踪控制方法，该专利虽然考虑了惯量不确定性对姿态控制的影响，但对模型进行了线性化处理，损失了部分动态特征，未考虑惯量不确定性对状态导数的影响即中立不确定性，也未考虑外界干扰对姿态控制的影响。综上所述，现有方法无法解决四旋翼无人机高精度姿态控制在抓取或抛投物品时系统惯量不确定以及外界干扰等多种因素带来的问题。

　　发明内容

　　本发明的技术解决问题是：针对四旋翼无人机高精度姿态控制在抓取或抛投物品时系统惯量不确定以及外界干扰等多种因素带来的影响，提出了一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机姿态控制方法，解决抓取或抛投物品时四旋翼无人机对系统惯量不确定适应性不足和干扰处理能力不强的问题，提高系统任务适应性，具有工程实用性强、抗干扰能力强的优点。

　　本发明及技术解决方案为：一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机姿态控制方法，其实现步骤如下：

　　第一步，建立含有外部干扰的四旋翼无人机姿态环模型如下：

　　

　　

　　

　　其中，J0x表示四旋翼无人机在X轴方向的转动惯量，ΔJx表示在X轴方向的转动惯量不确定性，J0y表示四旋翼无人机在Y轴方向的转动惯量，ΔJy表示在Y轴方向的转动惯量不确定性，J0z表示四旋翼无人机在Z轴方向的转动惯量，ΔJz表示在Z轴方向的转动惯量不确定性，p表示四旋翼无人机的滚转角速率，表示p对时间的一阶导数，q表示四旋翼无人机的俯仰角速率，表示q对时间的一阶导数，r表示四旋翼无人机的偏航角速率，表示r对时间的一阶导数，u2表示滚转角速率p对应的控制力矩，u3表示俯仰角速率q对应的控制力矩，u4表示偏航角速率r对应的控制力矩，dp表示由于外部环境引起的干扰力矩对p的影响，dq表示由于外部环境引起的干扰力矩对q的影响，dr表示由于外部环境引起的干扰力矩对r的影响。将上述四旋翼无人机的姿态环模型简写为：

　　

　　其中，表示转动惯量矩阵，表示转动惯量不确定性矩阵，表示角速度导数矩阵，表示控制力矩矩阵，表示干扰矩阵，表示为了简便计算定义的符号。

　　第二步，将四旋翼无人机的姿态环模型，转化为误差方程如下：

　　

　　

　　

　　其中，ep表示滚转角速度的误差，定义为ep＝p-pd，pd表示滚转角速度的参考信号，表示pd对时间的一阶导数，eq表示俯仰角速度的误差，定义为eq＝q-qd，qd表示滚转角速度的参考信号，表示qd对时间的一阶导数，er表示偏航角速度的误差，定义为er＝r-rd，rd表示滚转角速度的参考信号，表示rd对时间的一阶导数。表示滚转角速度误差ep对时间的一阶导数，表示滚转角速度误差eq对时间的一阶导数，表示滚转角速度误差er对时间的一阶导数，Jx表示X轴的转动惯量，包括确定部分和不确定部分，即Jx＝J0x+ΔJx，Jy表示Y轴的转动惯量，包括确定部分和不确定部分，即Jy＝J0y+ΔJy，Jz表示Z轴的转动惯量，包括确定部分和不确定部分，即Jz＝J0z+ΔJz，Y和ΔY为用于简便表示的符号，分别定义为Y＝J0y-J0z和ΔY＝ΔJy-ΔJz，Z和ΔZ为用于简便表示的符号，分别定义为Z＝J0z-J0x和ΔZ＝ΔJz-ΔJx，X和ΔX为用于简便表示的符号，分别定义为X＝J0x-J0y和ΔX＝ΔJx-ΔJy。将上述误差方程简写为：

　　

　　其中，表示误差导数矩阵，表示为了简便计算定义的符号，表示为了简便计算定义的符号，表示为了简便计算定义的符号。

　　第三步，设计四旋翼无人机姿态控制律如下：

　　

　　

　　

　　其中，Kp表示u2对应的控制器增益，Kq表示u3对应的控制器增益，Kr表示u4对应的控制器增益。

　　第四步，利用误差方程设计干扰观测器：

　　

　　其中，表示对干扰d2的估计值，z2为辅助变量，L2为观测器增益，表示z2对时间的一阶导数。

　　第五步，将干扰估计值通过前馈通道进行补偿，并与第四步中设计的控制律进行复合：

　　

　　其中，表示控制矩阵，表示对干扰d2的估计值，表示复合控制律。

　　本发明与现有技术相比的优点在于：

　　(1)本发明针对四旋翼无人机高精度姿态控制在抓取或抛投物品时系统惯量不确定以及外界干扰等多种因素带来的影响，设计考虑惯量不确定性的四旋翼无人机姿态控制方法，提高系统鲁棒性和稳定性，并利用干扰观测器对外部环境干扰进行估计和补偿，构造出一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机高精度姿态复合控制方法，提高系统对惯量不确定适应性不足和干扰处理能力不强的问题，具有工程实用性强、抗干扰能力强的优点，保证四旋翼无人机在抓取或抛投物品时的高精度姿态控制。

　　(2)现有方法虽然考虑了惯量不确定性对姿态控制的影响，但对模型进行了线性化处理，损失了部分动态特征，未考虑惯量不确定性对状态导数的影响即中立不确定性，也未考虑外界干扰对姿态控制的影响。在惯量不确定性和外部干扰的同时影响下，现有方法难以保证原有的控制效果。而本发明通过设计鲁棒控制器来抑制惯量不确定性，通过设计干扰观测器来补偿外部干扰，可在惯量不确定性和外部干扰的同时影响下，保证系统完成既定任务，实现控制目标。

　　附图说明

　　图1为本发明一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机高精度姿态控制方法的设计流程图。

　　具体实施方式

　　下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

　　如图1所示，本发明所述的一种考虑惯量不确定性的四旋翼无人机高精度姿态控制方法设计步骤为：首先，建立含有外部干扰的四旋翼无人机姿态环模型；其次，将四旋翼无人机的姿态环模型，转化为误差方程；再次，设计四旋翼无人机姿态控制律；然后，利用误差方程设计干扰观测器；最后，将干扰估计值通过前馈通道进行补偿，并与控制律进行复合。

　　具体实施步骤如下：

　　第一步，建立含有外部干扰的四旋翼无人机姿态环模型如下：

　　

　　

　　

　　其中，J0x表示四旋翼无人机在X轴方向的转动惯量，取值为0.01kgm2，ΔJx表示在X轴方向的转动惯量不确定性，取值为0.1J0x，J0y表示四旋翼无人机在Y轴方向的转动惯量，取值为0.082kgm2，ΔJy表示在Y轴方向的转动惯量不确定性，取值为0.1J0y，J0z表示四旋翼无人机在Z轴方向的转动惯量，取值为0.0148kgm2，ΔJz表示在Z轴方向的转动惯量不确定性，取值为0.1J0z，p表示四旋翼无人机的滚转角速率，初值为0.001rad/s，表示p对时间的一阶导数，q表示四旋翼无人机的俯仰角速率，初值为0.001rad/s，表示q对时间的一阶导数，r表示四旋翼无人机的偏航角速率，初值为0.001rad/s，表示r对时间的一阶导数，u2表示滚转角速率p对应的控制力矩，u3表示俯仰角速率q对应的控制力矩，u4表示偏航角速率r对应的控制力矩，dp表示由于外部环境引起的干扰力矩对p的影响，取值为0.01Nm，dq表示由于外部环境引起的干扰力矩对q的影响，取值为0.01Nm，dr表示由于外部环境引起的干扰力矩对r的影响，取值为0.005Nm。将上述四旋翼无人机的姿态环模型简写为：

　　

　　其中，表示转动惯量矩阵，表示转动惯量不确定性矩阵，表示角速度导数矩阵，表示控制力矩矩阵，表示干扰矩阵，表示为了简便计算人为定义的符号。

　　第二步，将四旋翼无人机的姿态环模型，转化为误差方程如下：

　　

　　

　　

　　其中，ep表示滚转角速度的误差，定义为ep＝p-pd，pd表示滚转角速度的参考信号，取值为0rad/s，表示pd对时间的一阶导数，eq表示俯仰角速度的误差，定义为eq＝q-qd，qd表示滚转角速度的参考信号，取值为0rad/s，表示qd对时间的一阶导数，er表示偏航角速度的误差，定义为er＝r-rd，rd表示滚转角速度的参考信号，取值为0rad/s，表示rd对时间的一阶导数。表示滚转角速度误差ep对时间的一阶导数，表示滚转角速度误差eq对时间的一阶导数，表示滚转角速度误差er对时间的一阶导数，Jx表示X轴的转动惯量，包括确定部分和不确定部分，即Jx＝J0x+ΔJx，Jy表示Y轴的转动惯量，包括确定部分和不确定部分，即Jy＝J0y+ΔJy，Jz表示Z轴的转动惯量，包括确定部分和不确定部分，即Jz＝J0z+ΔJz，Y和ΔY为用于简便表示的符号，分别定义为Y＝J0y-J0z和ΔY＝ΔJy-ΔJz，Z和ΔZ为用于简便表示的符号，分别定义为Z＝J0z-J0x和ΔZ＝ΔJz-ΔJx，X和ΔX为用于简便表示的符号，分别定义为X＝J0x-J0y和ΔX＝ΔJx-ΔJy。将上述误差方程简写为：

　　

　　其中，表示误差导数矩阵，表示为了简便计算人为定义的符号，表示为了简便计算人为定义的符号，表示为了简便计算人为定义的符号。

　　第三步，设计四旋翼无人机姿态控制律如下：

　　

　　

　　

　　其中，Kp表示u2对应的控制器增益，取值为-0.0842，Kq表示u3对应的控制器增益，取值为-0.7384，Kr表示u4对应的控制器增益，取值为-0.1389。

　　第四步，利用误差方程设计干扰观测器：

　　

　　其中，表示对干扰d2的估计值，z2为辅助变量，L2为观测器增益，取值为diag{3.4989 2.5013 3.5040}，表示z2对时间的一阶导数。

　　第五步，将干扰估计值通过前馈通道进行补偿，并与第四步中设计的控制律进行复合：

　　

　　其中，表示控制矩阵，表示对干扰d2的估计值，表示复合控制律。

　　本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。