[發明專利]一種基于雙環PD控制算法控制的四旋翼無人機著陸方法

有效

• 申請號: 201911066729.8
• 申請日: 2019-11-04
• 公開（公告）號: CN110673623B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 宋志強;方武;劉孝趙
• 申請（專利權）人: 蘇州經貿職業技術學院
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 郭璐

本發明公開了一種基于雙環PD控制算法控制的四旋翼無人機著陸方法，通過設計四旋翼無人機著陸時的位置控制律u₁和姿態控制律，控制四旋翼無人機著陸時的位置坐標和三個姿態的歐拉角；設計基于雙環的PD控制的著陸算法，外環控制位置，內環控制姿態；將外環產生的中間指令信號θ_d和ψ_d傳遞給內環，內環通過其內環控制律實現對兩個指令信號的跟蹤，閉環系統的穩定性通過調整內外環增益系數得到保證；PD控制器在工程上容易實現，可用于實時性較高的場合，具有算法簡單、參數易調整等特點，可用于實時性較高的場合。

技術領域

本發明屬于四旋翼無人機控制領域，具體涉及一種基于雙環PD控制算法控制的四旋翼無人機著陸方法。

背景技術

近年來，無人機(UAV)越來越多地應用于民用領域，在環保、電力、交通、測繪、安防、農業等領域均有無人機的身影；隨著現代技術的進步，特別是人工智能技術的快速發展，未來無人機+行業應用的模式具有廣闊的應用前景；

目前無人機的智能化水平還有待提高，許多應用背后都有無人機操作員在控制無人機，要提高無人機的自動化和智能化水平，還需科研工作者進行大量研究，無人機的自主著陸問題是無人機智能化應用必須解決的關鍵技術問題，相比無人機航路規劃、導航等已有較多的研究，自主著陸方面的研究還相對較少；

在現有的關于無人機的自主著陸的主要理論有：張建宏等針對固定翼無人機，采用在線穩定逆研究無人機自主精確著陸問題；高楊軍等提出一種內外環混合迭代的滑模控制策略，雙環都采用混合迭代滑模控制算法以克服滑模控制的缺點；豆清波等針對小型傘降無人機回收的特點，設計該類無人機全機著陸試驗系統并進行著陸試驗；針對固定翼無人機在著陸過程中速度和下沉率不斷增大的問題，采用魯棒伺服和PID相結合的控制方法設計著陸控制律并進行仿真試驗；針對輪式無人機，根據自適應內模控制原理，以地速與下沉率為控制目標，設計著陸縱向飛行控制律；吳政隆等在分析固定翼無人機著陸階段運行特性基礎上，設計基于光流的自主著陸控制律，并用Simulink進行仿真；以上控制算法通常要依賴GPS導航或慣導系統，由于GPS的缺點，基于視覺的自主著陸吸引了大批研究人員，張小正等基于視覺導航方法，設計圓環型地標并基于此地標研究無人機著陸位姿估計方法；

綜上，目前我國在固定翼無人機的著陸算法設計方面已有較多研究；但對于多旋翼無人機的自主著陸的研究和相關理論數據還相對較少，四旋翼無人機在起飛和著陸時不需要跑道，另外其可懸停的特性對于監測領域具有非常強的吸引力，其應用領域非常廣，因此，對于四旋翼無人機的自主著陸控制研究，用以解決目前四旋翼無人機的著陸問題具有現實意義。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于雙環PD控制算法控制的四旋翼無人機著陸方法，通過設計基于雙環的PD控制的著陸算法，外環控制位置，內環控制姿態；將外環產生的中間指令信號θ_d和ψ_d傳遞給內環，內環通過其內環控制律實現對兩個指令信號的跟蹤，閉環系統的穩定性通過調整內外環增益系數得到保證；在工程上容易實現，可用于實時性較高的場合，實用性高。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種基于雙環PD控制算法控制的四旋翼無人機著陸方法，包括以下步驟：

步驟一：建立四旋翼無人機MIMO系統的動力學模型；

步驟二：通過步驟一的動力學模型設計外環位置控制律u₁，以實現x→x_d，y→y_d，z_d→0，z→z_d，且z_d→0；

步驟三：根據步驟一的動力學模型設計內環姿態控制律，使θ→θ_d，ψ→ψ_d，φ→φ_d，φ_d→0；