【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種基于改進模糊自抗擾的四旋翼無人機姿態(tài)控制方法，屬于無人機智能控制。
技術(shù)介紹
1、無人機是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。其由四個獨立控制轉(zhuǎn)速直流無刷電機驅(qū)動螺旋槳提供飛行動力，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)無人機的飛行控制。近年來，隨著微機械傳感器、復(fù)合材料、視覺定位與導(dǎo)航等技術(shù)的快速發(fā)展，無人機逐漸變得更加智能化和輕量化。由于其多功能性以及自主或遠程控制執(zhí)行任務(wù)的能力，無人機在危險、復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)具有明顯的優(yōu)勢。
2、為實現(xiàn)對四旋翼無人機姿態(tài)的精準控制，目前主流的控制方法有比例積分微分控制、滑模控制、模型預(yù)測控制、反步控制等。四旋翼無人機作為高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，在實際中其準確模型難以獲得。比如，pid控制在工程上廣泛應(yīng)用且不依賴于系統(tǒng)模型，但是面對四旋翼無人機存在未知參數(shù)攝動、傳感器噪聲、氣流及風(fēng)擾等多源干擾的影響，其控制效果并不理想。
3、因此，如何實現(xiàn)四旋翼無人機在多源擾動下的復(fù)雜環(huán)境中工作時，能夠?qū)Χ嘣锤蓴_實現(xiàn)抑制且在平穩(wěn)狀態(tài)下具有較高的魯棒性，仍是亟需解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)提供一種基于改進模糊自抗擾的四旋翼無人機姿態(tài)控制方法，該方法使得四旋翼無人機在多源擾動下的復(fù)雜環(huán)境中工作時，能夠?qū)Χ嘣锤蓴_實現(xiàn)抑制，且能夠使其在平穩(wěn)狀態(tài)下具有更高的魯棒性。
2、為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：一種基于改進模糊自抗擾的四旋翼無人機姿態(tài)控制方法，包括如
3、s1.建立帶多源擾動的四旋翼無人機數(shù)學(xué)模型，步驟如下：
4、s1.1.建立基于地球三維空間的地面坐標(biāo)系e(oe,xe,ye,ze)和基于四旋翼無人機的機體坐標(biāo)系b(ob,xb,yb,zb)；在地面坐標(biāo)系下，定義三個歐拉角[φ，θ，ψ]，分別對應(yīng)為滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角；其中，橫滾角φ和俯仰角θ的取值范圍均為(-0.5π,0.5π)，偏航角ψ的取值范圍為(-π,π)；
5、s1.2.根據(jù)牛頓-歐拉方程，建立四旋翼無人機動力學(xué)模型如下：
6、
7、式中，m表示四旋翼無人機的總質(zhì)量；g表示重力加速度；k1,k2,……，k6表示阻力系數(shù)；d1，d2，……，d6表示含有風(fēng)擾、傳感器噪聲以及參數(shù)攝動的多源總擾動；l表示四旋翼無人機旋翼末端到飛行器重心的距離；ix,iy,iz表示三軸的轉(zhuǎn)動慣量；u1,u2,u3,u4表示控制輸入表示控制輸入：
8、
9、式中，f1,f2,f3,f4是四個轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的推力，視為系統(tǒng)的實際控制輸入；
10、s1.3.位置子系統(tǒng)引入虛擬控制量ux，uy，uz分別為：
11、
12、將式(1)整理為：
13、
14、式中，x1＝[x,y,z,φ,θ,ψ]t，
15、u＝[ux,uy,uz,u2,u3,u4]t，d＝[d1,d2,d3,d4,d5,d6]τ，且d已知上界限；
16、s1.4.根據(jù)式(3)反解期望俯仰角θd和期望滾轉(zhuǎn)角φd：
17、
18、s2.設(shè)計位置環(huán)控制器，步驟如下：
19、s2.1.設(shè)計水平通道串級pid控制器，將該子系統(tǒng)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，外環(huán)以位置誤差作為輸入量，采用比例環(huán)節(jié)，設(shè)計控制器為：
20、
21、式中，k1px、k1py為比例環(huán)節(jié)系數(shù)，e1d、e2d為期望位置xd、yd和實際位置x、y的誤差；
22、內(nèi)環(huán)以外環(huán)的輸出作為輸入，該環(huán)節(jié)使用比例-積分-微分控制，設(shè)計控制器為：
23、
24、式中，k2p、k2i、k2d分別為比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)常系數(shù)矩陣，
25、將式(6)帶入式(1)中得：
26、
27、s2.2.設(shè)計高度通道串級pid控制器，將該子系統(tǒng)分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，外環(huán)以位置誤差作為輸入量，采用比例環(huán)節(jié)，設(shè)計控制器為：
28、
29、將(9)帶入(1)得：
30、
31、s3.設(shè)計非線性函數(shù)，步驟如下：
32、依據(jù)非線性函數(shù)選取原則設(shè)計非線性函數(shù)為：
33、
34、式中，δ＞0,a＞0是調(diào)節(jié)因子，與原非線性函數(shù)中的調(diào)節(jié)因子一一對應(yīng)，影響效果也相同，當(dāng)輸入誤差|e|≤1時，如果只使用反正切函數(shù)，會導(dǎo)致小誤差區(qū)間的增益較小，為解決此問題，所以在|e|≤1時加入一個正弦函數(shù)提高誤差增益；當(dāng)誤差|e|＞1時，為保證該區(qū)間誤差增益小于原fal函數(shù)的增益，將narcfal函數(shù)定義為常數(shù)，同時為確保函數(shù)的連續(xù)性則令該常數(shù)值等于|e|＝1時narcfal函數(shù)的值；
35、s3.2.取fal函數(shù)和narcfal函數(shù)在e＞1時的誤差增益為：
36、
37、將g2(e)·e中的未知項視為獨立項，分別取最大值為：
38、
39、則：g2(e)·e＜max[g2(e)·e]＜1(14)
40、綜上，在e＞1時，g2(e)·e＜1＜g1(e)·e始終成立；
41、s4.設(shè)計改進擴張狀態(tài)觀測器，具體步驟如下：
42、s4.1.加入模糊控制實現(xiàn)eso自適應(yīng)：定義輸入為誤差信號e1及誤差微分信號e2，輸出為eso的增益參數(shù)δβ01、δβ02、δβ03；定義輸入量基本論域為[-50,50]，輸出量基本論域分別為[-100,100]、[-100,100]、[-30,30]；語言子集定義為：負大(nb)、負中(nm)、負小(ns)、正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)；模糊推理為：
43、
44、并建立模糊規(guī)則表：
45、δβ01、δβ02、δβ03模糊規(guī)則表
46、
47、s4.2.根據(jù)s3和s4.1，建立改進eso為：
48、
49、式中，e1為觀測值和實際值的誤差，β0i+δβ0i為改進后eso的增益參數(shù)；令β0i+δβ0i＝pi，進一步得到觀測誤差為：
50、
51、s4.3.根據(jù)s4.2建立矩陣方程為：
52、
53、式中，f1＝narcfal1/e1，f2＝narcfal2/e1；
54、s5.改進eso收斂條件分析，步驟如下：
55、s5.1.建立收斂性分析矩陣ha(e)為：
56、
57、式中，h為對角線為正數(shù)的矩陣，定義為：
58、
59、
60、f為有界量，其范圍為：
61、
62、s5.2.存在h使得ha(e)為正定對稱矩陣，式(17)的零解為lyapunov漸進穩(wěn)定，則ha(e)需要滿足以下條件：
63、
64、令h11＝1,h22＝h33＝λ，λ為無限接近0的正本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種基于改進模糊自抗擾的四旋翼無人機姿態(tài)控制方法，其特征在于，包括如下步驟：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于改進模糊自抗擾的四旋翼無人機...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：侯飛宇，段納，陳夢冉，孫浩，
申請(專利權(quán))人：江蘇師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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