专利名称：一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法
技术领域：
本发明涉及一种利用自抗扰控制技术完成四旋翼无人飞行器自主飞行的方法，属于无人飞行器自动控制领域。
背景技术：
四旋翼无人机具有固定翼无人机难以比拟的优点能够适应各种环境；具备自主起飞和着陆能力，高度智能化；能以各种姿态飞行，如空中悬停、前飞、侧飞和倒飞等。这些优点使四旋翼飞行器拥有重要的军用和民用价值，其特别适合在近地面环境(如室内和丛林等)中飞行，在大气监测、搜寻营救、航拍监控、资源勘探、电力线路监测、森林防火等恶劣环境中具有广泛的应用前景；在军用方面，既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务，包括侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击等，大有可为。与此同时，它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一。
无人机的自主飞行控制系统是无人机系统的核心，其性能好坏很大程度取决于飞行控制律的设计。实际控制问题中应用最广的控制算法为PID (Proportion IntegrationDifferentiation比例积分微分)控制器，其优点在于算法简单，而不足之处是当对象存在非线性、时变、耦合及参数和结构不确定等情况时，其控制效果不理想。对于许多现代控制理论，虽然一直处于蓬勃发展的状态，但由于其对被控对象模型精确度的要求过高而被许多领域拒之门外。ADRC (Auto Disturbance Rejection Controlller自抗扰控制技术)继承了 PID的优点，克服了其缺点。本发明将自抗扰控制技术应用到四旋翼的飞行控制中，在完成飞行任务的同时保证良好的飞行品质。
发明内容
本发明的目的是为解决现有四旋翼自主飞行控制效果不佳的问题，提出一种自抗扰飞行控制方法，以提高四旋翼无人机的飞行品质。四旋翼飞行器自抗扰自主飞行控制方法，具体设计包括如下步骤步骤I :建立四旋翼系统的数学模型。利用力学定理定律建立以四旋翼系统的三自由度位置前向位移X、侧向位移y、纵向位移z和三自由度姿态偏航角Ψ、俯仰角Θ、滚转角φ为输出变量的6个二次微分方程
(/y.^ /y^- //ΛJt=--:-— (cos^sin0cos(// + sin(i) sini//)
m
·· (Fr+Fr^Ff^rFb)y=-:-- (cos^si ηθ^ι ηψ - sin φ cosy/)
m
Λ.+Λ；ΛZ=———:---COS(I)COSe-W,.
m
.. /Φ=(/ · — /ν)--h
,.L·
权利要求
1 一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I :建立四旋翼系统的数学模型； 利用力学定理定律建立以四旋翼系统的三自由度位置前向位移X、侧向位移y、纵向位移z和三自由度姿态偏航角Ψ、俯仰角Θ、滚转角Φ为输出变量的6个二次微分方程
2.根据权利要求I所述的一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于所述过渡过程安排，是根据目标位置(X, - 7)以及目标航向角Vd，安排一个满足单调性的过渡过程，输出参考信号Xld及其微分本发明中采用正弦函数实现递增或递减过渡来代替阶跃指令的跳变过程。
3.根据权利要求I所述的一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于β (I越大响应幅值越大，β i越大抑制超调的能力越强；控制过程中，将P1从小往大调节，抑制超调。
4.根据权利要求I所述的一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于作为一个实施例，δ选取为控制系统米样时间。
5.根据权利要求I所述的一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于前向位移X自抗扰控制器中，eP为过渡安排后的目标位置与四旋翼系统实际前向位移估计值的差值；eD为过渡安排后的目标位置的微分与四旋翼系统实际前向速度估计值Z2的差值； 侧向位移y自抗扰控制器中，eP为过渡安排后的目标位置与四旋翼系统实际侧向位移估计值的差值；eD为过渡安排后的目标位置的微分与四旋翼系统实际侧向速度估计值的差值； 纵向位移z自抗扰控制器中，eP为过渡安排后的目标位置与四旋翼系统实际纵向位移估计值的差值；eD为过渡安排后的目标位置的微分与四旋翼系统实际纵向速度估计值Z2的差值; 偏航角Ψ自抗扰控制器中，eP为过渡安排后的目标偏航角与四旋翼系统实际偏航角估计值的差值；eD为过渡安排后的目标偏航角的微分与四旋翼系统实际偏航角变化率估计值Z2的差值；俯仰角Θ自抗扰控制器中，eP为由X和y位置通道的自抗扰控制律解算出的目标俯仰角与实际俯仰角估计值的差值；eD为目标俯仰角的微分与俯仰角变化率估计值Z2的差值；滚转角Φ自抗扰控制器中，eP为由X和y位置通道的自抗扰控制律解算出的目标滚转角与实际滚转角的估计值的差值；eD为目标滚转角的微分与滚转角变化率估计值Z2的差值。
6.根据权利要求I所述的一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于由于四旋翼的前后两个电机逆时针安装、左右两个电机顺时针安装，因此Tf、Tb取负，T1, Tr取正。
7.根据权利要求I所述的一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于当采用PWM驱动电机时，U1, U2, U3, U4为PWM脉宽值，当采用电压驱动电机时，U1, U2, U3, U4为电压值。
8.根据权利要求I所述的一种四旋翼飞行器自抗扰自动飞行控制方法，其特征在于不仅适用于四旋翼系统，对本发明方法的公式作相应变形后，还适用于其他无人机系统。
全文摘要
本发明涉及一种利用自抗扰控制技术完成四旋翼无人飞行器自主飞行的方法，属于无人飞行器自动控制领域。将目标值过渡过程安排后的输出x1d及其微分分别与扩张状态观测器输出做差，再对两个差值进行非线性变换，得到非线性反馈控制律u0；对于三个姿态角和纵向位移自抗扰控制器，再与扩张状态观测器的反馈做差，得到的输出作为扩张状态观测器与四旋翼系统相应通道的输入；对于前向和侧向位移自抗扰控制器，直接将u0作为扩张状态观测器与四旋翼系统相应通道的输入，四旋翼系统相应通道响应后，将实际值反馈给扩张状态观测器，从而形成闭环的自抗扰控制器；本方法抗干扰能力强，有效的解决了四旋翼系统建模困难、飞行过程中环境多样性、干扰频繁的难题。
文档编号G05B13/04GK102830622SQ20121032532
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者耿庆波, 胡琼, 兰天, 费庆, 伍清河 申请人:北京理工大学