基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN116009383A(43)申请公布日2023.04.25(21)申请号202210571518.5(22)申请日2022.05.24(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人谷雪晨刘家详曾庆国宋韬叶建川吴则良苗瀚(74)专利代理机构北京康思博达知识产权代理事务所(普通合伙)11426专利代理师范国锋(51)Int.Cl.G05B11/42(2006.01)权利要求书3页说明书11页附图7页(54)发明名称基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，构建串级控制器对四旋翼无人机的姿态进行控制，所述串级控制器为内外环两级串级控制器，串级控制器的外环进行自抗扰控制，向内环输出期望姿态角，内环进行快速终端滑模控制，向飞行器输出姿态角变化量，飞行器根据姿态角变化量改变飞行姿态。本发明公开的基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，抗干扰能力强，具有更快的跟踪速度和鲁棒性。CN116009383ACN116009383A权利要求书1/3页1.一种基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，构建串级控制器对四旋翼无人机的姿态进行控制，所述串级控制器为内外环两级串级控制器，串级控制器的外环进行自抗扰控制，向内环输出期望姿态角，内环进行快速终端滑模控制，向飞行器输出姿态角变化量，飞行器根据姿态角变化量改变飞行姿态。2.根据权利要求1所述的基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述串级控制器外环的输入为期望角速度，输出为期望姿态角，包括一个非线性PD控制器和一个外环状态观测器，其中，所述非线性PD控制器的输出为姿态角控制量，所述外环状态观测器的输出为期望角速度与实际角速度误差估计、姿态角扰动补偿量，姿态角控制量u0与姿态角扰动补偿量合并获得所述期望姿态角；所述非线性PD控制器的输入为期望角速度，以及外环状态观测器输出的期望角速度与实际角速度误差估计，所述外环状态观测器的输入为无人机的姿态角和非线性PD控制器输出的姿态角控制量。3.根据权利要求2所述的基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述外环状态观测器可以表示为：其中，下标i表示不同的角速度，p表示滚转角速度，q表示俯仰角速度，r表示偏航角速度；xi1、xi2、xi3、yi为状态量，其中为xi1的观测值，为xi2的观测值，为xi3的观测值，为外环扩张状态观测器输出的状态量观测值，βi1、βi2、βi3为设计参数；bi为补偿因子；fi为外环控制扰动，表示为：其中，下标j表示不同的姿态角，φ表示滚转角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角。4.根据权利要求3所述的基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述非线性PD控制器可以表示为：2CN116009383A权利要求书2/3页其中，i表示不同的角速度，id表示对应角速度的期望，表示对应角速度的观测值，表示对应角速度的观测值；ei1表示期望角速度和角速度观测值的误差；ui0表示不同姿态角的控制量，βi01、βi02表示非线性PD控制器的增益；fal为非线性滤波函数，αi1,αi2,δi为设计参数。5.根据权利要求4所述的基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述外环状态观测器输出的姿态角扰动补偿量为：则所述外环状态观测器简化为：其中，bi0为补偿因子。6.根据权利要求1所述的基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述串级控制器内环的输入为期望姿态角，输出为姿态角变化量，飞行器根据姿态角变化量改变飞行姿态；所述串级控制器内环包括一个快速非奇异终端滑模控制器和一个内环状态观测器，其中，所述快速非奇异终端滑模控制器的输出为姿态角变化量，所述内环状态观测器的输出为期望姿态角与实际姿态角的误差估计；所述快速非奇异终端滑模控制器的输入为期望姿态角，以及内环状态观测器的输出的期望姿态角与实际姿态角的估计误差，所述内环状态观测器的输入为期望姿态角，以及飞行器实际姿态角。7.根据权利要求6所述的基于自抗扰快速终端滑模的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述内环状态观测器可以表示为：3CN116009383A权利要求书3/3页其中，下标j表示不同的姿态角，φ表示滚转角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角；xj1、xj2、xj3、yj为状态量，为xj1的观测值，为xj2的观测值，为xj3的观测值，为内环状态观测器输出的状态量观测值，βj1、βj2、βj3为设计参数；bj为补偿因子；fj为内环控制扰动，表示为：8.根据权利要求6所述的基于自抗扰快速终端滑模的