一种四旋翼无人机控制方法、装置、系统及存储介质

本发明涉及一种四旋翼无人机控制方法、装置、系统及存储介质，属于四旋翼无人机控制。

背景技术：

1、无人机不仅能够执行军事上的情报、侦察等任务，还能够在民用上用于灌溉、防灾预警、节日表演等。由于四旋翼无人机结构简单，容易操作，对四旋翼无人机的研究具有很高的现实意义。

2、无人机姿态和速度控制是无人机飞行控制的基础，其控制性能极大地影响着无人机的安全飞行效率。关于无人机飞行控制的研究成为近年来的热点，例如pid控制方法、反馈线性化方法、神经网络控制方法等。其中，pid线性控制方法能够满足四旋翼无人机的基本飞行操作控制，但在偏离平衡点或存在扰动时，控制性能将无法得到保障。增益调参控制能够将无人机模型线性化处理，简化了控制器的设计。反馈线性化方法是利用全状态反馈，使新系统的输入和输出间具有线性关系。基于神经网络控制方法的动态逆控制能够在无人机很难获得精确的数学模型的情况下，采用神经网络进行系统辨识，但其计算复杂度高且收敛性很难得到保证。

3、在现有技术中，对四旋翼无人机的控制方法需要安装相应的传感器对四旋翼无人机系统的状态进行测量，且整个四旋翼无人机系统的计算复杂度较高，不利于四旋翼无人机的推广应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种四旋翼无人机控制方法、装置、系统及存储介质，能够对四旋翼无人机的姿态角速度进行状态观测，实现对四旋翼无人机的无角速度传感控制。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种四旋翼无人机控制方法，包括：

4、基于预构建的存在干扰情况的四旋翼无人机动力学模型，获取四旋翼无人机状态空间模型；

5、基于所述四旋翼无人机状态空间模型，构建线性回归方程；

6、基于所述线性回归方程，构建梯度下降观测器，对姿态角速度和未知扰动进行重构，获取重构后的姿态角速度和未知扰动；

7、将重构后的姿态角速度和未知扰动输入至预构建的四旋翼无人机姿态子系统控制器，获取无角速度传感控制器，对四旋翼无人机进行无角速度传感控制。

8、结合第一方面，进一步的，存在干扰情况的四旋翼无人机动力学模型为：

9、；

10、其中，、、为滚转角、俯仰角、偏航角，、、为、、的一阶导数，、、为、、的二阶导数，为各旋翼到无人机质心的距离，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的未知扰动，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的阻力系数，、、为无人机、、轴的转动惯量，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的控制输入量；

11、定义四旋翼无人机状态空间的状态变量为：

12、；

13、其中，、、、、、为四旋翼无人机状态空间的状态变量；

14、则四旋翼无人机状态空间模型为：

15、；

16、其中，、、、、、为、、、、、的一阶导数。

17、结合第一方面，进一步的，基于所述四旋翼无人机状态空间模型，构建线性回归方程包括：

18、对所述四旋翼无人机状态空间模型进行改写，获取改写后的四旋翼无人机状态空间模型为：

19、；

20、其中，、为四旋翼无人机状态空间的状态变量，，，其中，为滚转角，为的一阶导数，、为、的一阶导数，为滚转角子系统中与相关的第一常量，，其中，为各旋翼到无人机质心的距离，为滚转角对应的阻力系数，为无人机轴的转动惯量，为滚转角子系统中与不相关的变量，，其中，为俯仰角的控制输入量，为常数，，为第一待估计参数，，其中，为滚转角对应的未知扰动，为滚转角子系统中与相关的第二常量，；

21、将状态观测问题转化为参数估计问题为：

22、；

23、其中，为的重构状态，为第二待估计参数，；

24、对改写后的四旋翼无人机状态空间模型进行动态扩展描述为：

25、；

26、其中，为状态转移矩阵，为第一中间变量，为第二中间变量，为原观测器增益，、、、为、、、的一阶导数，、、、为、、、的初始值，为时间；

27、则线性回归方程为：

28、；

29、其中，为可测变量，，为待估计参数向量，，其中，为虚构参数。

30、结合第一方面，进一步的，所述梯度下降观测器为：

31、；

32、其中，、、、为动态扩张量，、、、为滤波器参数，为微分算子，，其中，为时间，为可测变量，为待估计参数向量，，其中，为第二待估计参数，为虚构参数，为梯度下降观测器的输出，，其中，、为、的估计值，为第三中间变量，、、、为、、、的一阶导数，为原观测器增益，为梯度下降观测器增益，为的行列式，为的伴随矩阵，为的初始值；

33、利用所述梯度下降观测器对姿态角速度和未知扰动进行重构，获取重构后的姿态角速度和未知扰动为：

34、；

35、其中，为四旋翼无人机状态空间的状态变量，为的重构状态，为状态转移矩阵，为常数，，为第一待估计参数，为滚转角对应的未知扰动，、为、的估计值。

36、结合第一方面，进一步的，构建四旋翼无人机姿态子系统控制器包括：

37、基于所述四旋翼无人机动力学模型，构建滑模函数为：

38、；

39、其中，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的滑模面函数，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的滑模面参数，、、为滚转角、俯仰角、偏航角，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的期望值，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的实际值与期望值的误差，、、为、、的一阶导数；

40、则、、的一阶导数、、为：

41、；

42、其中，、、为、、的二阶导数，、、为、、的二阶导数，、、为、、的二阶导数，、、为、、的一阶导数，为各旋翼到无人机质心的距离，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的未知扰动，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的阻力系数，、、为无人机、、轴的转动惯量，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的控制输入量；

43、令、、为：

44、；

45、其中，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的趋近率系数，、、为控制器增益，为符号函数；

46、则、、的一阶导数、、改写为：

47、；

48、利用饱和函数代替符号函数削弱抖振，获取四旋翼无人机姿态子系统控制器为：

49、；

50、其中，为饱和函数。

51、结合第一方面，进一步的，将重构后的姿态角速度和未知扰动输入至预构建的四旋翼无人机姿态子系统控制器，获取无角速度传感控制器为：

52、；

53、其中，、、为滚转角、俯仰角、偏航角，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的期望值，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的实际值与期望值的误差，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的未知扰动，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的滑模面函数，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的控制输入量，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的滑模面参数，为各旋翼到无人机质心的距离，、、为滚转角、俯仰角、偏航角对应的阻力系数，、、为无人机、、轴的转动惯量，、、为滚转角、俯仰角、偏航角的趋近率系数，、、为控制器增益，、、、、、、、、、、、、、、为、、、、、、、、、、、、、、的估计值，、、为、、的一阶导数，、、为、、的二阶导数，为饱和函数。

54、第二方面，本发明提供一种四旋翼无人机控制装置，包括：

55、四旋翼无人机状态空间模型获取模块：用于基于预构建的存在干扰情况的四旋翼无人机动力学模型，获取四旋翼无人机状态空间模型；

56、线性回归方程构建模块：用于基于所述四旋翼无人机状态空间模型，构建线性回归方程；

57、重构模块：用于基于所述线性回归方程，构建梯度下降观测器，对姿态角速度和未知扰动进行重构，获取重构后的姿态角速度和未知扰动；

58、控制模块：用于将重构后的姿态角速度和未知扰动输入至预构建的四旋翼无人机姿态子系统控制器，获取无角速度传感控制器，对四旋翼无人机进行控制。

59、第三方面，本发明提供一种四旋翼无人机控制系统，包括处理器及存储介质；

60、所述存储介质用于存储指令；

61、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面任一项所述方法的步骤。

62、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面任一项所述方法的步骤。

63、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

64、本发明提供的四旋翼无人机控制方法，基于预构建的存在干扰情况的四旋翼无人机动力学模型，获取四旋翼无人机状态空间模型，并构建线性回归方程，进而构建梯度下降观测器，对姿态角速度和未知扰动进行重构，将重构后的姿态角速度和未知扰动输入至预构建的四旋翼无人机姿态子系统控制器，获取无角速度传感控制器，能够对四旋翼无人机进行无角速度传感控制。由于滑模控制存在抖振缺陷，且抖振的危害性较大，在四旋翼无人机姿态子系统控制器构建时，利用饱和函数代替符号函数，能够削弱抖振。针对现有技术局限于控制方案实现均需要所有状态量信息的问题，本发明提供的四旋翼无人机控制方法能够避免无人机姿态系统使用过多传感器，在不需要角速度传感器的情况下仍能保证输出姿态角准确地跟踪给定值，且能够抑制外界干扰变化对于系统的影响，显著降低四旋翼无人机系统硬件成本和故障率，提高了系统的容错率，具有较高的实用价值。