CN111813150A - 一种基于ude估计器的无人机高度控制方法 - Google Patents

一种基于ude估计器的无人机高度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UDE估计器的无人机高度控制方法，包括以下步骤：S1：选定四旋翼无人机作为建模对象，建立高度动态模型；S2：对高度动态模型进行反馈线性化；S3：根据反馈线性化后的高度动态模型，得到参考模型并设计高度UDE控制律；S4：设定参考模型和高度UDE控制律的参数，完成无人机的高度控制。本发明在模型具有不确定性和具有干扰的情况下，设计高度UDE控制律，可以实现对无人机高度的无超调和抗干扰的高精度跟踪控制。同时，能够在模型参数不精确和扰动不确定的条件下，精准无超调控制无人机的高度，对无人机的降落有十分积极的意义，使得无人机降落迅速，避免与地面发生碰撞。

Description

一种基于UDE估计器的无人机高度控制方法
技术领域
本发明属于运动控制技术领域，具体涉及一种基于UDE估计器的无人机高度控制方法。
背景技术
由于近年来航拍无人机的兴起，因其操作简单、操控灵活和性价比高等优点，使得在军民诸多领域都发展迅速，如国土勘测、农业植保、电力巡检、国土检测、视频航拍、森林防火和科学研究平台等。
尽管如此，但是受限于采用低成本的MEMS传感器，无人机在控制方面还不能够尽善尽美。尤其是无人机的高度控制上，因为地面效应和外界其他不确定的扰动，使得包括无人机的起飞和降落容易发生降落碰撞和降落侧翻等失控状态，造成不必要的损失。
发明内容
本发明的目的是为了解决无人机高度控制的问题，提出了一种基于UDE估计器的无人机高度控制方法。
本发明的技术方案是：一种基于UDE估计器的无人机高度控制方法包括以下步骤：
S1：选定四旋翼无人机作为建模对象，建立高度动态模型；
S2：对高度动态模型进行反馈线性化；
S3：根据反馈线性化后的高度动态模型，得到参考模型并设计高度UDE控制律；
S4：设定参考模型和高度UDE控制律的参数，完成无人机的高度控制。
进一步地，步骤S1中，建立高度动态模型的方法为：计算四旋翼无人机的垂直加速度
Figure BDA0002605531490000021
其计算公式为：
Figure BDA0002605531490000022
其中，u4表示四个电机旋转产生的合力，θ表示四旋翼无人机的第一欧拉角，φ表示四旋翼无人机的第二欧拉角，m表示四旋翼无人机的质量，d表示外界扰动，g表示重力加速度。
进一步地，步骤S2中，对高度动态模型进行反馈线性化的方法为：设控制输入u的表达式为u＝u4(cosθcosφ-mg)/m，则对高度动态模型反馈线性化后的表达式为
Figure BDA0002605531490000023
进一步地，步骤S3包括以下子步骤：
S31：将反馈线性化后的高度动态模型改写为状态运动方程；
S32：根据状态运动方程得到第一矩阵A和第二矩阵B；
S33：根据反馈线性化后的高度动态模型和其传递函数，得到参考模型；
S34：根据参考模型得到第三矩阵Am和第四矩阵Bm；
S35：根据第一矩阵A、第二矩阵B、第三矩阵Am和第四矩阵Bm计算高度UDE控制律。
进一步地，步骤S31中，状态运动方程的表达式为：
Figure BDA0002605531490000024
其中，z表示四旋翼无人机的高度，
Figure BDA0002605531490000025
表示对四旋翼无人机的垂直速度，
Figure BDA0002605531490000026
表示四旋翼无人机的垂直加速度，d表示外界扰动。
进一步地，步骤S32中，第一矩阵A和第二矩阵B的表达式分别为：
Figure BDA0002605531490000027
Figure BDA0002605531490000028
进一步地，步骤S33中，传递函数的表达式：
Figure BDA0002605531490000031
参考模型的表达式为：
Figure BDA0002605531490000032
其中，z表示四旋翼无人机的高度，zm表示参考模型的高度，
Figure BDA0002605531490000033
表示参考模型高度的速率，
Figure BDA0002605531490000034
表示参考模型高度的加速度，c表示参考模型的输入信号，wn表示固有频率，ξ表示阻尼系数，s表示频率变量。
进一步地，步骤S34中，第三矩阵Am和第四矩阵Bm的表达式分别为：
Figure BDA0002605531490000035
Figure BDA0002605531490000036
进一步地，步骤S35中，高度UDE控制律的控制总输入U的表达式为：
U＝(I-B+BGf)-1B+[Amx+Bmc-Ax(1-Gf)-sGfs]
其中，Gf表示一阶低通滤波因子，
Figure BDA0002605531490000037
T表示低通滤波器的时间常数，s表示复数因子，x表示状态向量，B+表示矩阵B的伪逆矩阵，B表示第二矩阵，Am表示第三矩阵，Bm表示第四矩阵，c表示参考模型的输入信号。
进一步地，步骤S4中，固有频率wn的取值为5，阻尼系数ξ的取值为1，低通滤波器的时间常数T的取值为0.005。
本发明的有益效果是：本发明在模型具有不确定性和具有干扰的情况下，设计高度UDE控制律，可以实现对无人机高度的无超调和抗干扰的高精度跟踪控制。同时，能够在模型参数不精确和扰动不确定的条件下，精准无超调控制无人机的高度，对无人机的降落有十分积极的意义，使得无人机降落迅速，避免与地面发生碰撞。
附图说明
图1为无人机高度控制方法的流程图；
图2为无人机高度控制方法的结构图；
图3为零初始条件下UDE和PID控制对比图；
图4为零初始条件下UDE和PID控制稳态误差对比图；
图5为非零初始条件下UDE和PID控制对比图；
图6为非零初始条件下UDE和PID控制稳态误差对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于UDE估计器的无人机高度控制方法，包括以下步骤：
S1：选定四旋翼无人机作为建模对象，建立高度动态模型；
S2：对高度动态模型进行反馈线性化；
S3：根据反馈线性化后的高度动态模型，得到参考模型并设计高度UDE控制律；
S4：设定参考模型和高度UDE控制律的参数，完成无人机的高度控制。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S1中，建立高度动态模型的方法为：计算四旋翼无人机的垂直加速度
Figure BDA0002605531490000041
其计算公式为：
Figure BDA0002605531490000042
其中，u4表示四个电机旋转产生的合力，θ表示四旋翼无人机的第一欧拉角，φ表示四旋翼无人机的第二欧拉角，m表示四旋翼无人机的质量，d表示外界扰动，g表示重力加速度。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2中，对高度动态模型进行反馈线性化的方法为：设控制输入u的表达式为u＝u4(cosθcosφ-mg)/m，则对高度动态模型反馈线性化后的表达式为
Figure BDA0002605531490000051
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S3包括以下子步骤：
S31：将反馈线性化后的高度动态模型改写为状态运动方程；
S32：根据状态运动方程得到第一矩阵A和第二矩阵B；
S33：根据反馈线性化后的高度动态模型和其传递函数，得到参考模型；
S34：根据参考模型得到第三矩阵Am和第四矩阵Bm；
S35：根据第一矩阵A、第二矩阵B、第三矩阵Am和第四矩阵Bm计算高度UDE控制律。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S31中，状态运动方程的表达式为：
Figure BDA0002605531490000052
其中，z表示四旋翼无人机的高度，
Figure BDA0002605531490000053
表示对四旋翼无人机的垂直速度，
Figure BDA0002605531490000054
表示四旋翼无人机的垂直加速度，d表示外界扰动。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S32中，第一矩阵A和第二矩阵B的表达式分别为：
Figure BDA0002605531490000055
Figure BDA0002605531490000056
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S33中，传递函数的表达式：
Figure BDA0002605531490000057
参考模型的表达式为：
Figure BDA0002605531490000061
其中，z表示四旋翼无人机的高度，zm表示参考模型的高度，
Figure BDA0002605531490000062
表示参考模型高度的速率，
Figure BDA0002605531490000063
表示参考模型高度的加速度，c表示参考模型的输入信号，wn表示固有频率，ξ表示阻尼系数，s表示频率变量。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S34中，第三矩阵Am和第四矩阵Bm的表达式分别为：
Figure BDA0002605531490000064
Figure BDA0002605531490000065
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S35中，高度UDE控制律的控制总输入U的表达式为：
U＝(I-B+BGf)-1B+[Amx+Bmc-Ax(1-Gf)-sGfs]
其中，Gf表示一阶低通滤波因子，
Figure BDA0002605531490000066
T表示低通滤波器的时间常数，s表示复数因子，x表示状态向量，B+表示矩阵B的伪逆矩阵，B表示第二矩阵，Am表示第三矩阵，Bm表示第四矩阵，c表示参考模型的输入信号。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S4中，固有频率wn的取值为5，阻尼系数ξ的取值为1，低通滤波器的时间常数T的取值为0.005。
在本发明实施例中，如图2所示，在有参数信号和干扰输入的情况下，利用UDE控制器，并建立无人机高度动力学模型，输出无人机高度；如图3所示，设置跟踪信号为1m，其为零初始条件下UDE和PID控制对比图；如图4所示，设置跟踪信号为1m，其为零初始条件下UDE和PID控制稳态误差对比图；如图5所示，选取当前状态为
Figure BDA0002605531490000067
设跟踪信号为0m，模拟无人机降落的情景，其为非零初始条件下UDE和PID控制对比图；如图6所示，选取当前状态为
Figure BDA0002605531490000071
设跟踪信号为0m，模拟无人机降落的情景，其为非零初始条件下UDE和PID控制稳态误差对比图。
本发明的工作原理及过程为：在本发明中，UDE表示基于模型不确定性和外部扰动估计。本发明公开了一种无人机高度控制方法。首先，选定四旋翼无人机为本发明的控制对象，经过建模得到无人机高度的动态模型；其次，对高度动态模型进行反馈线性化；然后将高度动态模型改写为状态运动方程并得到参考模型，从而获取第一矩阵A、第二矩阵B、第三矩阵Am和第四矩阵Bm；再根据第一矩阵A、第二矩阵B、第三矩阵Am和第四矩阵Bm得到高度UDE控制律；最后，选取参考模型的参数，完成无人机的高度控制。
本发明的有益效果为：本发明在模型具有不确定性和具有干扰的情况下，设计高度UDE控制律，可以实现对无人机高度的无超调和抗干扰的高精度跟踪控制。同时，能够在模型参数不精确和扰动不确定的条件下，精准无超调控制无人机的高度，对无人机的降落有十分积极的意义，使得无人机降落迅速，避免与地面发生碰撞。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选定四旋翼无人机作为建模对象，建立高度动态模型；
S2：对高度动态模型进行反馈线性化；
S3：根据反馈线性化后的高度动态模型，得到参考模型并设计高度UDE控制律；
S4：设定参考模型和高度UDE控制律的参数，完成无人机的高度控制。
2.根据权利要求1所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立高度动态模型的方法为：计算四旋翼无人机的垂直加速度
Figure FDA0002605531480000011
其计算公式为：
Figure FDA0002605531480000012
其中，u4表示四个电机旋转产生的合力，θ表示四旋翼无人机的第一欧拉角，φ表示四旋翼无人机的第二欧拉角，m表示四旋翼无人机的质量，d表示外界扰动，g表示重力加速度。
3.根据权利要求1所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，对高度动态模型进行反馈线性化的方法为：设控制输入u的表达式为u＝u4(cosθcosφ-mg)/m，则对高度动态模型反馈线性化后的表达式为
Figure FDA0002605531480000013
4.根据权利要求1所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31：将反馈线性化后的高度动态模型改写为状态运动方程；
S32：根据状态运动方程得到第一矩阵A和第二矩阵B；
S33：根据反馈线性化后的高度动态模型和其传递函数，得到参考模型；
S34：根据参考模型得到第三矩阵Am和第四矩阵Bm；
S35：根据第一矩阵A、第二矩阵B、第三矩阵Am和第四矩阵Bm计算高度UDE控制律。
5.根据权利要求4所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S31中，状态运动方程的表达式为：
Figure FDA0002605531480000021
其中，z表示四旋翼无人机的高度，
Figure FDA0002605531480000022
表示对四旋翼无人机的垂直速度，
Figure FDA0002605531480000023
表示四旋翼无人机的垂直加速度，d表示外界扰动。
6.根据权利要求4所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S32中，第一矩阵A和第二矩阵B的表达式分别为：
Figure FDA0002605531480000024
Figure FDA0002605531480000025
7.根据权利要求4所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S33中，传递函数的表达式：
Figure FDA0002605531480000026
参考模型的表达式为：
Figure FDA0002605531480000027
其中，z表示四旋翼无人机的高度，zm表示参考模型的高度，
Figure FDA0002605531480000028
表示参考模型高度的速率，
Figure FDA0002605531480000029
表示参考模型高度的加速度，c表示参考模型的输入信号，wn表示固有频率，ξ表示阻尼系数，s表示频率变量。
8.根据权利要求4所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S34中，第三矩阵Am和第四矩阵Bm的表达式分别为：
Figure FDA0002605531480000031
Figure FDA0002605531480000032
9.根据权利要求4所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S35中，高度UDE控制律的控制总输入U的表达式为：
U＝(I-B+BGf)-1B+[Amx+Bmc-Ax(1-Gf)-sGfs]
其中，Gf表示一阶低通滤波因子，
Figure FDA0002605531480000033
T表示低通滤波器的时间常数，s表示复数因子，x表示状态向量，B+表示矩阵B的伪逆矩阵，B表示第二矩阵，Am表示第三矩阵，Bm表示第四矩阵，c表示参考模型的输入信号。
10.根据权利要求1所述的基于UDE估计器的无人机高度控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，固有频率wn的取值为5，阻尼系数ξ的取值为1，低通滤波器的时间常数T的取值为0.005。
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