CN110928321A - 一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，属于无人机控制技术领域，解决了传统无人机的PID控制存在适应能力有限的问题，其技术特征是：步骤如下：S1、对多旋翼无人机进行飞行动力学建模：S2、实现控制器设计与分析；本发明回路成型鲁棒控制器通过计算得到，减少了无人机实际飞行调试工作，相比传统PID控制多旋翼无人机，具有更好的自适应能力，对无人机状态、气象环境等容忍能力。

Description

一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法

技术领域

本发明涉及无人机控制技术，具体是一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法。

背景技术

多旋翼无人机收益与构型简单、直接，使用方便，近年来发展迅速，在多个行业内得到广泛应用。也正是应为构型简单，提供的驱动力有限，在飞行动力学角度属于严重欠驱动系统，多旋翼无人机作为新兴设备，具备快速到达、采集空中气体数据的能力优势，且具有成本低、使用方面等特点，因此多旋翼无人机广泛应用于大气污染检测工作中。

但是无人机飞行动力学非线性、通道耦合严重，传统无人机的 PID控制存在适应能力有限，在在不同的飞行状态、气象条件下，控制性能差异性明显，一致性较差，因此，我们提出一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，以解决传统无人机的PID控制存在适应能力有限的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，步骤如下：

S1、对多旋翼无人机进行飞行动力学建模，动力学模型简化为最终的线性形式为：

其中，φ,θ,

分别表示滚转角、俯仰角和航向角，符号上的点标记表示该变量求导，两点表示二阶导，

表示滚转角加速度；K_i表示模型中对应通道的等效参数，包含了其他干扰项的近似、气动参数； I_i表示转动惯量的综合参数，b_i表示对应通道控制效力的综合参数，描述转速变化量产生的力矩，在克服空气阻力、机体的转动惯性等作用后，对无人机产生转动角加速度的能力；

u_i对应通道转速变化量，w_i为对应通道模型不确定性，描述了未建模动态、线性化舍去的非线性、耦合部分以及环境外界产生的干扰；

上述模型参数可以通过试验、飞行辨识、计算等方式获取，不同型号多旋翼无人机的模型参数不同，为了便于控制应用，将上述描述转换为状态空间表达形式：

S2、实现控制器设计与分析，经过回路成型后，多旋翼无人机原动力学模型校正为G_s，控制K_∞的求解转换为一般H∞的求解问题，及对下式进行优化：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明回路成型鲁棒控制器通过计算得到，减少了无人机实际飞行调试工作，相比传统PID 控制多旋翼无人机，具有更好的自适应能力，对无人机状态、气象环境等容忍能力。

附图说明

图1为四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法中H∞鲁棒控制结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，步骤如下：

S1、对多旋翼无人机进行飞行动力学建模，动力学模型简化为最终的线性形式为：

其中，φ,θ,

分别表示滚转角、俯仰角和航向角，符号上的点标记表示该变量求导，两点表示二阶导，表示滚转角加速度；K_i表示模型中对应通道的等效参数，包含了其他干扰项的近似、气动参数； I_i表示转动惯量的综合参数，b_i表示对应通道控制效力的综合参数，描述转速变化量产生的力矩，在克服空气阻力、机体的转动惯性等作用后，对无人机产生转动角加速度的能力；

u_i对应通道转速变化量，w_i为对应通道模型不确定性，描述了未建模动态、线性化舍去的非线性、耦合部分以及环境外界产生的干扰；

S2、实现控制器设计与分析，回路成型的H∞鲁棒控制结构如图 1所示，其中K_∞为设计的反馈控制器，K₁,K₂为回路成型加权函数，K₁加权在前向通道中，采用比例+积分的控制律形式，积分环节用于提高低频增益，以提高本通道的稳态跟踪精度，同时对本通道工作时引起的其他通道耦合输出具有稳态解耦性能，以及实现对飞行中由于无人机自身的不平衡或者气流影响进行配平，K₂加权在反馈通道中，包含了抑制飞机传感器噪声的低通滤波器和改善鲁棒特性的超前滞后校正器。

实施例2

本发明实施例中，一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，步骤如下：

S1、对多旋翼无人机进行飞行动力学建模，动力学模型简化为最终的线性形式为：

其中，φ,θ,

分别表示滚转角、俯仰角和航向角，符号上的点标记表示该变量求导，两点表示二阶导，

表示滚转角加速度；K_i表示模型中对应通道的等效参数，包含了其他干扰项的近似、气动参数； I_i表示转动惯量的综合参数，b_i表示对应通道控制效力的综合参数，描述转速变化量产生的力矩，在克服空气阻力、机体的转动惯性等作用后，对无人机产生转动角加速度的能力；

u_i对应通道转速变化量，w_i为对应通道模型不确定性，描述了未建模动态、线性化舍去的非线性、耦合部分以及环境外界产生的干扰；

上述模型参数可以通过试验、飞行辨识、计算等方式获取，不同型号多旋翼无人机的模型参数不同，为了便于控制应用，将上述描述转换为状态空间表达形式：

S2、实现控制器设计与分析，回路成型的H∞鲁棒控制结构如图 1所示，其中K_∞为设计的反馈控制器，K₁,K₂为回路成型加权函数，K₁加权在前向通道中，采用比例+积分的控制律形式，积分环节用于提高低频增益，以提高本通道的稳态跟踪精度，同时对本通道工作时引起的其他通道耦合输出具有稳态解耦性能，以及实现对飞行中由于无人机自身的不平衡或者气流影响进行配平，K₂加权在反馈通道中，包含了抑制飞机传感器噪声的低通滤波器和改善鲁棒特性的超前滞后校正器；

经过回路成型后，多旋翼无人机原动力学模型校正为G_s，控制K_∞的求解转换为一般H∞的求解问题，及对下式进行优化：

应用matlab的鲁棒控制工具箱可解得多旋翼无人机控制器。

本发明的有益效果是：本发明回路成型鲁棒控制器通过计算得到，减少了无人机实际飞行调试工作，相比传统PID控制多旋翼无人机，具有更好的自适应能力，对无人机状态、气象环境等容忍能力。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤如下：

S1、对多旋翼无人机进行飞行动力学建模，动力学模型的线性形式为：

S2、实现控制器设计与分析。

2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤S1中，φ,θ,

分别表示滚转角、俯仰角和航向角。

3.根据权利要求1所述的四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤S1中，

表示滚转角加速度；K_i表示模型中对应通道的等效参数。

4.根据权利要求2所述的四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤S1中，I_i表示转动惯量的综合参数，b_i表示对应通道控制效力的综合参数。

5.根据权利要求1所述的四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤S1中，u_i对应通道转速变化量，w_i为对应通道模型不确定性。

6.根据权利要求3所述的四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤S1中，动力学模型的状态空间表达式为：

7.根据权利要求1-6任一所述的四旋翼无人机姿态的鲁棒控制方法，其特征在于，步骤S1中，符号上的点标记表示该变量求导，两点表示二阶导。

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