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专利号: 2024107679036
申请人: 广东工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种四旋翼无人机的姿态控制方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:建立四旋翼无人机姿态动力学模型;

S2:建立无人机控制系统的运动方程以及状态方程,并设计基于带补偿状态观测器的线性自抗扰的控制器;

S3:建立微分跟踪器,用于减少系统的超调量;

所述S1中,无人机的动力模型描述为:其中, 为升力系数,

为阻力系数, 是电机驱动螺旋桨带来的总升力 和 是 三轴力矩;

为单个电机的转速, ;

根据牛顿—欧拉方法,四旋翼无人机的姿态动力学模型描述为:其中,为

机体中心到电机转子的距离, 为转子和电机的总惯性转矩, 为空气阻力系数, 分别为横滚角、俯仰角、航向角, 分别为机体绕x轴,y轴,z轴的角速度, 分别为机体绕x轴,y轴,z轴的角加速度, 分别为机体方向转动惯量;

将强耦合关系归类为内部扰动 ,该 ;

所述姿态动力学模型描述为:其中:

考虑到外部扰动,将姿态动力学模型修改为:其中,

为未知或不可测干扰;

所述S2中,根据式(4),将无人机的姿态动力学方程表示为:其中,y表示为系统的输出,u为系统的输入,d表示为系统的外部未知扰动,a表示为系统的参数,b为二阶控制系统的控制增益;

将 视为系统的总扰动 ,式(5)表示为:令, 根据

式(6),系统姿态动力学方程表示为:采用具有导数形式的补偿函数观测器,用于克服LESO的非导数形式问题,根据式(7),可得:其中,

; 分别为 的估计值, 为观测器的增益;

令,式(7)减去式(8),得到:根据式(9)得到,

之间存在纯微分关系,且估计误差 与总干扰 有关,引入补偿函数 ,用于减少总干扰 对估计误差的影响,得到:令,式(7)减去式

(10),得到引入补偿函数 的观测误差为:当补偿函数

越趋近于总干扰 ,估计误差将明显减小;

采用低通滤波器将两个变量联系起来,得到:其中, 为低

通滤波器的截止频率;

因此,补偿观测器的表达式为:令, ,将式

(13)简化为: 其中,为补偿后的扰动估计值;

由式(14)得到,补偿观测器的特征方程表示为:。

2.根据权利要求1所述的姿态控制方法,其特征在于:由式(15)得到,当特征方程的所有根位于左半平面内时,补偿观测器稳定,基于补偿观测器和PD控制器,将控制量 设计为: 其中,为期望输入, 为PD控制器输出值, 为PD控制器的环节参数。

3.根据权利要求2所述的姿态控制方法,其特征在于:所述S3中,微分跟踪器的建立公式为: 其中,为期望输入, 为采样时间, 为快速因子, 是初始信号的跟踪信号, 是初始信号的跟踪信号的微分, 为最速控制综合函数。

4.根据权利要求3所述的姿态控制方法,其特征在于:由式(17)得到,姿态的控制律变为: 。