[發明專利]一種基于干擾觀測器的四旋翼無人機集群抗干擾編隊控制方法

有效

• 申請號: 202010801729.4
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111766899B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 余翔;郭克信;劉偲;張霄;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨;賈玉忠

1.一種基于干擾觀測器的四旋翼無人機集群抗干擾編隊控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，構建含外力擾動的單體四旋翼耦合動力學模型；

步驟二，建立針對無人機所受外界風產生的力矩擾動的干擾觀測器；然后，根據干擾觀測器估計擾動值；

步驟三，根據干擾觀測器估計的無人機領機x軸與y軸的擾動值，估計出風擾的方向，設計四旋翼抗干擾控制律；

步驟四，根據領機估計的風擾方向，在遇到外界擾動時，四旋翼集群的隊形保持I字型，設計四旋翼集群抗干擾編隊控制律，實現無人機集群編隊的抗干擾控制；

所述步驟三設計四旋翼抗干擾控制律，具體如下：

結合四旋翼的動力學特點與耦合運動學模型，設計級聯控制律，其中內環控制器控制四旋翼姿態：俯仰，橫滾，偏航，高度，外環控制器控制四旋翼的位置：x軸，y軸；螺旋槳生成的力矩直接作用于四旋翼的姿態，由于四旋翼位移與姿態的二階導數關系，相比于姿態環控制器，位置環的響應時間更長；具體過程如下：

步驟3.1.位置環控制器：

其中x_d、y_d、z_d和表示三軸位置期望和期望速度，x、y、z和表示三軸位置和速度，k_px、k_py、k_pz和k_dx、k_dy、k_dz表示三軸的比例增益與微分增益，u_x、u_y、u_z表示位置環三軸控制量，根據四旋翼的剛體運動學模型，得到橫滾角與俯仰角的控制律：

φ_d、θ_d、ψ與g分別表示四旋翼的橫滾角期望、俯仰角期望、偏航角與重力常量；

步驟3.2.姿態環控制器：

姿態環控制器接收參考的姿態角即俯仰角、橫滾角控制輸入，由四旋翼的運動學與動力學模型，偏航控制與俯仰、橫滾控制存在耦合，而不考慮四旋翼的偏航控制，只通過俯仰與橫滾的變化仍然能夠實現飛行器的位置控制：

其中k_pφ,k_pθ,k_pψ與k_dφ,k_dθ,k_dψ分別表示橫滾角、俯仰角、偏航角的比例與微分增益，通過反饋線性化方法，u_ψ、u_φ、u_θ表示偏航角速度，偏航角、橫滾角與俯仰角的控制量；油門控制量T表示如下：

忽略空氣阻力，簡化的線性反饋控制律設計如下：

Ω＝-w₁+w₂-w₃+w₄

其中，L是四旋翼的臂長，w_i表示螺旋槳的轉速，其中i＝1,2,3,4，T，τ_φ,τ_θτ_ψ表示機體各坐標軸的控制力矩，Ω分別表示俯仰角速度、偏航角速度、橫滾角速度與螺旋槳轉速差，J_yy、J_zz、J_xx、J_r分別表示三軸轉動慣量與電機轉動慣量，旋轉力矩與螺旋槳升力的關系如下：

T＝F₁+F₂+F₃+F₄

τ_θ＝L(F₂-F₄)

τ_φ＝L(F₃-F₁)

τ_ψ＝K_yaw(F₁+F₃-F₂-F₄)

其中，F₁，F₂，F₃，F₄，K_yaw分別表示四旋翼四個螺旋槳的產生的升力與偏航系數，得到四個螺旋槳各自的升力控制信號；螺旋槳存在轉速約束，故總升力存在一定約束，控制信號需要在此約束內。