CN111580534B - 飞行器控制方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

飞行器控制方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种飞行器控制方法，包括：基于飞行器的目标状态，获得目标状态的跟踪值和微分跟踪值；基于飞行器的当前状态，获得当前状态的观测值和微分观测值；基于目标状态的跟踪值和微分跟踪值，以及当前状态的观测值和微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差；基于误差，获得飞行器的状态控制量。本发明还提供了一种飞行器控制装置、电子设备及可读存储介质。

Description

飞行器控制方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本发明属于飞行器控制技术领域。本发明涉及一种飞行器控制方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
现有技术中，无论是消费级的还是行业级的飞行器(例如无人机)大多数都是采用传统的串级pid控制方法来实现位移与姿态控制，但是传统的串级pid控制方法存在比较严重的几个问题，①是面对瞬态响应会存在超调，②是达到稳态后，即便有积分控制也难以实现较小误差，③是无法解决外部扰动，一旦出现扰动会面临炸机的危险。这些问题针对实际应用的飞行器都是比较常见的问题，很多应用场景也会对这些问题与控制器进行考验，传统的串级pid很难经受住诸多的考验。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种飞行器控制方法、飞行器控制装置、电子设备及可读存储介质。
根据本发明的一个方面，一种飞行器控制方法，包括：基于飞行器的目标状态，获得目标状态的跟踪值和微分跟踪值；基于飞行器的当前状态，获得当前状态的观测值和微分观测值；基于目标状态的跟踪值和微分跟踪值，以及当前状态的观测值和微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差；以及基于误差，获得飞行器的状态控制量。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态的微分跟踪值包括一阶微分跟踪值和/或二阶微分跟踪值；当前状态的微分观测值包括一阶微分观测值和/或二阶微分观测值。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态的微分跟踪值包括一阶微分跟踪值；当前状态的微分观测值包括一阶微分观测值。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态的微分跟踪值包括一阶微分跟踪值和二阶微分跟踪值；当前状态的微分观测值包括一阶微分观测值和二阶微分观测值。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态包括目标位移和目标姿态角。
根据本发明的至少一个实施方式，目标姿态角包括目标横滚角、目标俯仰角和目标偏航角。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标姿态角跟踪值、目标位移速度跟踪值和目标姿态角速度跟踪值。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标姿态角跟踪值、目标位移速度跟踪值、目标姿态角速度跟踪值、目标位移加速度跟踪值、目标姿态角加速度跟踪值。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标偏航角跟踪值、目标横滚角跟踪值、目标俯仰角跟踪值、目标位移速度跟踪值、目标横滚角速度跟踪值、目标俯仰角速度跟踪值和目标偏航角速度跟踪值。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态包括目标位移和目标偏航角。
根据本发明的至少一个实施方式，目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标偏航角跟踪值、目标位移速度跟踪值和目标偏航角速度跟踪值。
根据本发明的至少一个实施方式，当前状态包括当前位移和当前姿态角。
根据本发明的至少一个实施方式，当前姿态角包括当前横滚角、当前俯仰角和当前偏航角。
根据本发明的至少一个实施方式，当前状态的观测值和微分观测值包括：当前位移观测值、当前姿态角观测值、当前位移速度观测值、当前姿态角速度观测值、当前位移加速度观测值、当前姿态角加速度观测值。
根据本发明的至少一个实施方式，飞行器的状态控制量包括高度控制量、水平位移控制量和姿态角控制量。
根据本发明的至少一个实施方式，高度控制量通过以下公式获得：
U1＝m(z5+g+α5(z6-α5z5)+α6z6)/(cosφcosθ)
其中，U1为高度控制量，m为飞行器质量，g为重力加速度，α5～α6分别为可调且为正的参数，φ为横滚角，θ为俯仰角；
z5＝zd1-z1
z6＝zd2+α5z5-z2；
其中，z1和z2分别为飞行器当前状态的Z方向当前位移观测值和Z方向当前位移速度观测值；zd1和zd2分别为飞行器目标状态的Z方向目标位移跟踪值和Z方向目标位移速度跟踪值。
根据本发明的至少一个实施方式，水平位移控制量通过以下公式获得：
ux＝m(z1+α1(z2-α1z1)+α2z2)/U1
uy＝m(z3+α3(z4-α3z3)+α4z4)/U1
其中，ux为X方向控制量，uy为Y方向控制量；
z1＝xd1-x；
z2＝xd2+α1z1-u；
z3＝yd1-y；
z4＝yd2+α3z3-v；
其中，u为飞行器在X方向的当前速度，v为飞行器在Y方向的当前速度；α1～α4分别为可调且为正的参数；x为飞行器当前状态的X方向当前位移观测值，y为飞行器当前状态的Y方向当前位移观测值；xd1和xd2分别为飞行器目标状态的X方向目标位移跟踪值和X方向目标位移速度跟踪值；yd1和yd2分别为飞行器目标状态的Y方向目标位移跟踪值和Y方向目标位移速度跟踪值。
根据本发明的至少一个实施方式，姿态角控制量通过以下公式获得：
Figure BDA0002486205840000041
Figure BDA0002486205840000042
Figure BDA0002486205840000043
a1～a5为中间控制参数；b1～b3为中间控制参数；α7～α12分别为可调且为正的参数；
Z7～Z12通过下列各式获得：
z7＝phid1-phi；
z8＝phid2+α7z7-phi2；
z9＝thetad1-theta；
z10＝thetad2+α9z9-theta2；
z11＝psid1-psi；
z12＝psid2+α11z11-psi2；
其中，phid1为飞行器目标状态的横滚角跟踪值，phi为飞行器当前状态的横滚角观测值，phid2为飞行器目标状态的横滚角速度跟踪值，phi2为飞行器当前状态的横滚角速度观测值，thetad1为飞行器目标状态的俯仰角跟踪值，theta为飞行器当前状态的俯仰角观测值，thetad2为飞行器目标状态的俯仰角速度跟踪值，theta2为飞行器当前状态的俯仰角速度观测值，psid1为飞行器目标状态的偏航角跟踪值，psi为飞行器当前状态的偏航角观测值，psid2为飞行器目标状态的偏航角速度跟踪值，psi2为飞行器当前状态的俯仰角速度观测值。
根据本发明的另一方面，一种无人机控制装置，包括：
跟踪微分器，跟踪微分器基于飞行器的目标状态，获得所述目标状态的跟踪值和微分跟踪值；
扩张状态观测器，扩张状态观测器基于飞行器的当前状态，获得所述当前状态的观测值和微分观测值；以及
Backstepping控制器，Backstepping控制器基于目标状态的跟踪值和微分跟踪值，以及当前状态的观测值和微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差，基于所述误差，获得飞行器的状态控制量。
根据本发明的又一方面，一种电子设备，包括：存储器，存储器存储计算机执行指令；以及处理器，处理器执行存储器存储的计算机执行指令，使得处理器执行上述的方法。
根据本发明的再一方面，一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机执行指令，计算机执行指令被处理器执行时用于实现上述的方法。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本发明一个实施方式的飞行器控制方法的示意性流程图。
图2是根据本发明又一个实施方式的飞行器控制方法的示意性流程图。
图3是根据本发明又一个实施方式的飞行器控制方法的示意性流程图。
图4是根据本发明一个实施方式的飞行器控制装置的示意性框图。
图5是根据本发明的一个实施方式的飞行器控制方法BTE与传统pid控制方法的三维位移跟踪对比示意图。
图6是根据本发明的一个实施方式的飞行器控制方法BTE与传统pid控制方法的三维轨迹跟踪对比示意图。
图7是根据本发明的一个实施方式的飞行器控制方法BTE与传统pid控制方法的姿态角跟踪对比示意图。
图8是根据本发明的一个实施方式的飞行器控制方法BTE与传统pid控制方法的控制输入跟踪对比示意图。
图9是图7的部分放大示意图。
图10是图8的部分放大示意图。
图11是根据本发明一个实施方式的电子设备的示意性视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
如图1所示，根据本公开的一个实施方式，飞行器控制方法包括：基于飞行器的目标状态，获得目标状态的跟踪值和微分跟踪值；基于飞行器的当前状态，获得当前状态的观测值和微分观测值；基于目标状态的跟踪值和微分跟踪值，以及当前状态的观测值和微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差；以及基于误差，获得飞行器的状态控制量。
本领域技术人员应当理解，飞行器可以是例如无人机等类型的飞行器，无人机可以是四旋翼无人机。
如图2所示，根据本公开的一个优选实施方式，飞行器控制方法包括：基于飞行器的目标状态，获得目标状态的跟踪值和一阶微分跟踪值；基于飞行器的当前状态，获得当前状态的观测值和一阶微分观测值；基于目标状态的跟踪值和一阶微分跟踪值，以及当前状态的观测值和一阶微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差；以及基于误差，获得飞行器的状态控制量。
如图3所示，根据本公开的一个优选实施方式，飞行器控制方法包括：基于飞行器的目标状态，获得目标状态的跟踪值、一阶微分跟踪值和二阶微分跟踪值；基于飞行器的当前状态，获得当前状态的观测值、一阶微分观测值和二阶微分观测值；基于目标状态的跟踪值、一阶微分跟踪值和二阶微分跟踪值，以及当前状态的观测值、一阶微分观测值和二阶微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差；以及基于误差，获得飞行器的状态控制量。
其中，飞行器的状态控制量包括高度控制量、水平位移控制量和姿态角控制量。
其中，上述目标状态包括目标位移和目标姿态角，目标姿态角包括目标横滚角、目标俯仰角和目标偏航角。目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标姿态角跟踪值、目标位移速度跟踪值和目标姿态角速度跟踪值。优选地，目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标姿态角跟踪值、目标位移速度跟踪值、目标姿态角速度跟踪值、目标位移加速度跟踪值、目标姿态角加速度跟踪值。
作为一种示例，目标状态包括目标位移和目标偏航角。目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标偏航角跟踪值、目标位移速度跟踪值和目标偏航角速度跟踪值。
其中，上述当前状态包括当前位移和当前姿态角。当前姿态角包括当前横滚角、当前俯仰角和当前偏航角。例如当前状态的观测值和微分观测值包括：当前位移观测值、当前姿态角观测值、当前位移速度观测值、当前姿态角速度观测值、当前位移加速度观测值、当前姿态角加速度观测值。
如图4所示，根据本公开的一个实施方式，飞行器控制装置100包括：跟踪微分器，跟踪微分器基于飞行器的目标状态，获得目标状态的跟踪值和微分跟踪值；扩张状态观测器，扩张状态观测器基于飞行器的当前状态，获得当前状态的观测值和微分观测值；以及Backstepping控制器，Backstepping控制器基于目标状态的跟踪值和微分跟踪值，以及当前状态的观测值和微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差，基于所述误差，获得飞行器的状态控制量。
优选地，Backstepping控制器包括高度控制器、水平位移控制器和姿态控制器。飞行器的状态控制量包括高度控制量、水平位移控制量和姿态角控制量。
高度控制量优选地通过以下公式获得：
U1＝m(z5+g+α5(z6-α5z5)+α6z6)/(cosφcosθ)
其中，U1为高度控制量，m为飞行器质量，g为重力加速度，α5～α6分别为可调且为正的参数，φ为横滚角，θ为俯仰角；
z5＝zd1-z1
z6＝zd2+α5z5-z2；
其中，z1和z2分别为飞行器当前状态的Z方向当前位移观测值和Z方向当前位移速度观测值；zd1和zd2分别为飞行器目标状态的Z方向目标位移跟踪值和Z方向目标位移速度跟踪值。
水平位移控制量优选地通过以下公式获得：
ux＝m(z1+α1(z2-α1z1)+α2z2)/U1
uy＝m(z3+α3(z4-α3z3)+α4z4)/U1
其中，ux为X方向控制量，uy为Y方向控制量；
z1＝xd1-x；
z2＝xd2+α1z1-u；
z3＝yd1-y；
z4＝yd2+α3z3-v；
其中，u为飞行器在X方向的当前速度，v为飞行器在Y方向的当前速度；α1～α4分别为可调且为正的参数；x为飞行器当前状态的X方向当前位移观测值，y为飞行器当前状态的Y方向当前位移观测值；xd1和xd2分别为飞行器目标状态的X方向目标位移跟踪值和X方向目标位移速度跟踪值；yd1和yd2分别为飞行器目标状态的Y方向目标位移跟踪值和Y方向目标位移速度跟踪值。
姿态角控制量优选地通过以下公式获得：
Figure BDA0002486205840000081
Figure BDA0002486205840000082
Figure BDA0002486205840000083
a1～a5为中间控制参数；b1～b3为中间控制参数；α7～α12分别为可调且为正的参数；
Z7～Z12通过下列各式获得：
z7＝phid1-phi；
z8＝phid2+α7z7-phi2；
z9＝thetad1-theta；
z10＝thetad2+α9z9-theta2；
z11＝psid1-psi；
z12＝psid2+α11z11-psi2；
其中，phid1为飞行器目标状态的横滚角跟踪值，phi为飞行器当前状态的横滚角观测值，phid2为飞行器目标状态的横滚角速度跟踪值，phi2为飞行器当前状态的横滚角速度观测值，thetad1为飞行器目标状态的俯仰角跟踪值，theta为飞行器当前状态的俯仰角观测值，thetad2为飞行器目标状态的俯仰角速度跟踪值，theta2为飞行器当前状态的俯仰角速度观测值，psid1为飞行器目标状态的偏航角跟踪值，psi为飞行器当前状态的偏航角观测值，psid2为飞行器目标状态的偏航角速度跟踪值，psi2为飞行器当前状态的俯仰角速度观测值。
本领域技术人员应当理解，上述α1～α12的调整的目的是来判断高度控制器、水平位移控制器和姿态控制器是否收敛，是否稳定，响应是否迅速等等。
本发明的飞行器控制方法和飞行器控制装置采用双环闭合回路构成，内环回路用于控制飞行器的姿态角(俯仰角、横滚角和偏航角)，外环回路用于控制飞行器的三维位移(x、y、z)。
下面结合飞行器的模型方程来进一步说明本发明的飞行器控制方法和飞行器控制装置。
飞行器的状态X可以表示为：
Figure BDA0002486205840000091
Figure BDA0002486205840000092
其中，A和B分别是状态X的参数矩阵和控制输入U的参数矩阵。本领域技术人员应当理解，A和B可以通过无人机的数学模型来确定。φ是俯仰角、θ是横滚角、ψ是偏航角；x、y、z分别是飞行器(例如无人机)的位移坐标。数学符号上有小点的物理量，代表没有小点的相应物理量的微分形式；[]内的物理量按顺序分别是水平X方向位移、水平X方向速度、水平Y方向位移、水平Y方向速度、垂直方向位移、垂直方向速度、俯仰角、俯仰角速度、横滚角、横滚角速度、偏航角、偏航角速度(即X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12)。
以四旋翼无人机为例，四个输入项(即对四个螺旋桨的控制量)
Ui(i＝1,2,3,4)与四个电机的旋转角速度ωi(i＝1,2,3,4)的关系如
下公式：
Figure BDA0002486205840000101
其中，b、d分别是无人机的阻力系数和升力系数。
以四旋翼无人机为例，建立数学模型：
Figure BDA0002486205840000102
Figure BDA0002486205840000111
其中，ωd＝ω4+ω2-ω1-ω3；Ix、Iy、Iz分别是X、Y、Z方向上的转动惯量，Jr是电机转子惯量；b、d分别是无人机的阻力系数和升力系数；l是无人机的机臂长度；m为无人机质量；其中a1～a5、b1～b3均为中间参数，无实际含义；ux、uy为水平位移控制器的两个输出，X7、X9、X11分别对应的是φ俯仰角、θ横滚角、ψ偏航角。
作为一个优选的示例，微分跟踪器(TD)通过以下公式获得目标状态的跟踪值和微分跟踪值：
d＝r h0
d0＝h0 d
y＝x1+h0 x2
Figure BDA0002486205840000121
Figure BDA0002486205840000122
Figure BDA0002486205840000123
xd1＝xd2 h+xd1
xd2＝fhan h+xd2
其中，r为速度因子，h是采样间隔，h0是滤波因子，d为无人机的升力系数，x1为xd与xd1的差值，x2的取值为xd2；fhan即最速控制函数；微分跟踪器的输出信号xd1和xd2分别为微分跟踪器输入信号xd(xd即升力系数为d的无人机的目标状态)的跟踪以及微分，这里的xd即对应的状态X中的第1、3、5、7、9、11项的目标(即期望)。
作为一个优选的示例，扩张状态观测器(ESO)通过以下公式获得当前状态的观测值和微分观测值：
ex＝x1-x
Figure BDA0002486205840000124
Figure BDA0002486205840000125
Figure BDA0002486205840000126
Figure BDA0002486205840000127
Figure BDA0002486205840000128
其中，h是采样间隔，β01、β02、β03分别为正的可调参数，b0为正的可调参数，δ为正的可调参数，x1、x2、x3分别为状态x的扩张状态观测值、一阶微分观测值和二阶微分观测值；α为取自数值范围0至1中的常数。
下面通过实验仿真来验证本发明的飞行器控制方法以及飞行器控制装置的优点。飞行器以无人机为例。设定无人机的期望轨迹路径(即目标轨迹路径)如下公式所示，无人机的初始状态为：X＝[012×1]，并针对在一个特定时间段内对飞机加入外部扰动dd，如下公式所示。无人机采用的模型物理参数参见表1，将本发明的飞行器控制方法与传统的pid控制方法作对比。
Figure BDA0002486205840000131
Figure BDA0002486205840000132
表1
Figure BDA0002486205840000141
从图5的前30秒可以清晰看出，三维位移跟踪方面，本发明的无人机控制方法即BTE控制方法与传统pid都可以实现轨迹跟踪的功能，但是pid展现出来的控制性能差于本公开的BTE控制方法，虽然pid的响应速度要快于BTE，但是却存在较大的超调，而BTE却基本上没有明显超调，本发明的BTE控制采用跟踪微分器TD的具有明显优势，虽然安排了过度过程导致响应变慢，但是解决了瞬态响应超调的问题，提高了控制器的性能。
从图5、7、9的30--45秒可以看出，pid曲线与目标target点线有明显的误差，而BTE曲线却基本上没有误差，而在这个时间段正是出现外部扰动的时间段，表明存在外部扰动时，pid的抗扰动性能要明显差于BTE，虽然pid最终经过5-6秒钟也基本可以实现抗干扰，但是这对于实际应用的要求远远不够，可以看出BTE在扰动出现时的抗干扰能力很强，基本上没有受到扰动的干扰，因为本发明的控制器中的扩张状态观测器ESO具有对扰动的实时观测与补偿的效果。
结合图5与图6的三维轨迹跟踪图形中可以看出，BTE控制可以较为完美的实现无人机的无超调、小静差的轨迹跟踪，而pid控制就相对存在超调和较大的静差，体现了本发明的Backstepping控制器具有优良的控制性能。
从图8、10中可以看出，对于飞行器的四个控制输入U1-U4，pid的四个控制输入在出现瞬态突变时，需要大幅度提高控制输入才能达到控制目的，而本发明的BTE所需要的控制输入并没有很高，反而比较平滑缓和，同样反映出本发明的BTE控制性能更优。
本发明还提供一种电子设备，如图11所示，该设备包括：通信接口1000、存储器2000和处理器3000。通信接口1000用于与外界设备进行通信，进行数据交互传输。存储器2000内存储有可在处理器3000上运行的计算机程序。处理器3000执行所述计算机程序时实现上述实施方式中方法。所述存储器2000和处理器3000的数量可以为一个或多个。
存储器2000可以包括高速RAM存储器，也可以还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
如果通信接口1000、存储器2000及处理器3000独立实现，则通信接口1000、存储器2000及处理器3000可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构(ISA，Industry Standard Architecture)总线、外部设备互连(PCI，PeripheralComponent)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry StandardComponent)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，该图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
可选的，在具体实现上，如果通信接口1000、存储器2000、及处理器3000集成在一块芯片上，则通信接口1000、存储器2000、及处理器3000可以通过内部接口完成相互间的通信。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。处理器执行上文所描述的各个方法和处理。例如，本发明中的方法实施方式可以被实现为软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储器。在一些实施方式中，软件程序的部分或者全部可以经由存储器和/或通信接口而被载入和/或安装。当软件程序加载到存储器并由处理器执行时，可以执行上文描述的方法中的一个或多个步骤。备选地，在其他实施方式中，处理器可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行上述方法之一。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以具体实现在任何可读存储介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
就本说明书而言，“可读存储介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。可读存储介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式只读存储器(CDROM)。另外，可读存储介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施方式方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施方式的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个可读存储介质中。所述存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式/方式”、“一些实施方式/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式/方式或示例以及不同实施方式/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种飞行器控制方法，其特征在于，包括：
基于飞行器的目标状态，获得所述目标状态的跟踪值和微分跟踪值；
基于飞行器的当前状态，获得所述当前状态的观测值和微分观测值；
基于所述目标状态的跟踪值和微分跟踪值，以及所述当前状态的观测值和微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差；以及基于所述误差，获得飞行器的状态控制量；
飞行器的状态控制量包括高度控制量、水平位移控制量和姿态角控制量；
所述高度控制量通过以下公式获得：
U1＝m(z5+g+α5(z6-α5z5)+α6z6)/(cosφcosθ)
其中，U1为高度控制量，m为飞行器质量，g为重力加速度，α5～α6分别为可调且为正的参数，φ为横滚角，θ为俯仰角；
z5＝zd1-z1
z6＝zd2+α5z5-z2；
其中，z1和z2分别为飞行器当前状态的Z方向当前位移观测值和Z方向当前位移速度观测值；zd1和zd2分别为飞行器目标状态的Z方向目标位移跟踪值和Z方向目标位移速度跟踪值。
2.根据权利要求1所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述目标状态的微分跟踪值包括一阶微分跟踪值和/或二阶微分跟踪值；所述当前状态的微分观测值包括一阶微分观测值和/或二阶微分观测值。
3.根据权利要求1所述的飞行器控制方法，其特征在于，目标状态包括目标位移和目标姿态角。
4.根据权利要求3所述的飞行器控制方法，其特征在于，目标状态的跟踪值和微分跟踪值包括：目标位移跟踪值、目标姿态角跟踪值、目标位移速度跟踪值和目标姿态角速度跟踪值。
5.根据权利要求3或4所述的飞行器控制方法，其特征在于，目标姿态角包括目标横滚角、目标俯仰角和目标偏航角。
6.根据权利要求1所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述当前状态包括当前位移和当前姿态角。
7.根据权利要求6所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述当前姿态角包括当前横滚角、当前俯仰角和当前偏航角。
8.根据权利要求7所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述当前状态的观测值和微分观测值包括：当前位移观测值、当前姿态角观测值、当前位移速度观测值、当前姿态角速度观测值、当前位移加速度观测值、当前姿态角加速度观测值。
9.根据权利要求1所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述水平位移控制量通过以下公式获得：
ux＝m(z1+α1(z2-α1z1)+α2z2)/U1
uy＝m(z3+α3(z4-α3z3)+α4z4)/U1
其中，ux为X方向控制量，uy为Y方向控制量；
z1＝xd1-x；
z2＝xd2+α1z1-u；
z3＝yd1-y；
z4＝yd2+α3z3-v；
其中，u为飞行器在X方向的当前速度，v为飞行器在Y方向的当前速度；α1～α4分别为可调且为正的参数；x为飞行器当前状态的X方向当前位移观测值，y为飞行器当前状态的Y方向当前位移观测值；xd1和xd2分别为飞行器目标状态的X方向目标位移跟踪值和X方向目标位移速度跟踪值；yd1和yd2分别为飞行器目标状态的Y方向目标位移跟踪值和Y方向目标位移速度跟踪值。
10.根据权利要求9所述的飞行器控制方法，其特征在于，所述姿态角控制量通过以下公式获得：
Figure FDA0004107670690000031
Figure FDA0004107670690000032
Figure FDA0004107670690000033
a1～a5为中间控制参数；b1～b3为中间控制参数；α7～α12分别为可调且为正的参数；ψ是偏航角；ωd＝ω4+ω2-ω1-ω3，ω1，ω2，ω3和ω4分别是四个电机的旋转角速度；
Z7～Z12通过下列各式获得：
z7＝phid1-phi；
z8＝phid2+α7z7-phi2；
z9＝thetad1-theta；
z10＝thetad2+α9z9-theta2；
z11＝psid1-psi；
z12＝psid2+α11z11-psi2；
其中，phid1为飞行器目标状态的横滚角跟踪值，phi为飞行器当前状态的横滚角观测值，phid2为飞行器目标状态的横滚角速度跟踪值，phi2为飞行器当前状态的横滚角速度观测值，thetad1为飞行器目标状态的俯仰角跟踪值，theta为飞行器当前状态的俯仰角观测值，thetad2为飞行器目标状态的俯仰角速度跟踪值，theta2为飞行器当前状态的俯仰角速度观测值，psid1为飞行器目标状态的偏航角跟踪值，psi为飞行器当前状态的偏航角观测值，psid2为飞行器目标状态的偏航角速度跟踪值，psi2为飞行器当前状态的俯仰角速度观测值。
11.一种飞行器控制装置，其特征在于，包括：
跟踪微分器，所述跟踪微分器基于飞行器的目标状态，获得所述目标状态的跟踪值和微分跟踪值；
扩张状态观测器，所述扩张状态观测器基于飞行器的当前状态，获得所述当前状态的观测值和微分观测值；以及
Backstepping控制器，所述Backstepping控制器基于所述目标状态的跟踪值和微分跟踪值，以及所述当前状态的观测值和微分观测值，获得飞行器的目标状态和当前状态的误差，基于所述误差，获得飞行器的状态控制量；
飞行器的状态控制量包括高度控制量、水平位移控制量和姿态角控制量；
所述高度控制量通过以下公式获得：
U1＝m(z5+g+α5(z6-α5z5)+α6z6)/(cosφcosθ)
其中，U1为高度控制量，m为飞行器质量，g为重力加速度，α5～α6分别为可调且为正的参数，φ为横滚角，θ为俯仰角；
z5＝zd1-z1
z6＝zd2+α5z5-z2；
其中，z1和z2分别为飞行器当前状态的Z方向当前位移观测值和Z方向当前位移速度观测值；zd1和zd2分别为飞行器目标状态的Z方向目标位移跟踪值和Z方向目标位移速度跟踪值。
12.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，所述存储器存储执行指令；以及
处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行如权利要求1至10中任一项所述的方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至10中任一项所述的方法。
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