[發明專利]一種變負載下四旋翼無人機的高度控制方法

有效

• 申請號: 202110790716.6
• 申請日: 2021-07-13
• 公開（公告）號: CN113419562B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 崔磊;梁世慶;楊洪玖
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 韓帥

1.一種變負載下四旋翼無人機的高度控制方法，其特征在于，所述方法基于高度-速度雙閉環控制框架，采用自抗擾算法進行高度控制；其中：所述高度-速度雙閉環控制框架由外環高度控制模塊和內環速度控制模塊構成：所述外環高度控制模塊由跟蹤微分器、高度非線性控制器和高度測量單元構成；所述內環速度控制模塊由擴張狀態觀測器、速度非線性誤差反饋控制器和速度測量單元構成；所述高度-速度雙閉環控制框架通過如下步驟實現變負載下四旋翼無人機的高度控制：

步驟1：為簡化分析，用歐拉拉格朗日方法對四旋翼無人機懸掛負載進行二維建模，生成高度模型，即：

其中：u(t)是控制輸入，b₀是可調控制增益，f(t)表示四旋翼無人機所受的總擾動；

步驟2：二階跟蹤微分器根據高度模型對輸入的高度信號安排過渡過程，所述二階跟蹤微分器為：

其中：v₁(t)為輸出的跟蹤信號，v₂(t)為跟蹤信號的微分信號，r為速度因子，a_i,b_i為可調參數；a為幅值增益，可以調節函數的幅值大小，a越大，幅值越大；b為指數因子，可以調節函數線性區段的范圍，b越大，線性區段越窄；

步驟3：所述擴張狀態觀測器根據高度模型中的總擾動進行實時估計；

步驟4：所述內環速度非線性誤差反饋控制器對縱向速度進行控制并對估計出的總擾動進行實時補償，即：

其中：速度誤差σ(t)＝χ(t)-z₁(t)，χ(t)為外環的輸出，同時它為內環的期望速度；k_p1為可調控制器增益；b₀與擴張狀態觀測器中相對應，可以調節對擾動補償的強弱；

步驟5：所述外環高度非線性控制器通過引入非線性函數進行設計從而保證高度收斂的速度與精度，即：

其中：χ(t)為高度外環控制器輸出，高度誤差ζ(t)＝v₁(t)-z(t)；高度誤差的微分λ₁、λ₂∈[0,1]，λ₁和λ₂是決定控制器非線性程度的值，其值越小，非線性度越高；k_p2和k_d2是兩個可調的控制器增益。