1.一种采用串级自抗扰控制技术的四旋翼飞行器悬停控制方法,包括以下步骤:步骤1)建立四旋翼飞行器的动力学模型:四旋翼飞行器的飞行姿态由三个角度 描述,飞行位置由(x,y,z)描述;根据欧拉及牛顿定理建立小型四旋翼飞行器的动力学模型为对螺旋桨的角速度的控制量u如下:
其中,m为四旋翼飞行器的质量,l为四旋翼的旋翼臂展,Ixx、Iyy、Izz分别为x轴、y轴和z轴的惯量,Ω1、Ω2、Ω3和Ω4为螺旋桨的角速度,b是推力系数,d是阻力系数;
选择状态向量X为
则将(1)表示为状态空间模型为
其中,
步骤2)设计串级ADRC控制器,过程包括:根据其建模动力学方程双回路、多子系统的结构的特点,将悬停控制器设计为串级结构,内环为姿态环,外环为位置环;
2.1)外环控制器设计;
四旋翼飞行器的外环为位置环,外环控制分为3个独立的回路,分为x轴控制回路、y轴控制回路和z轴控制回路;自抗扰控制器由跟踪控制器、扩张状态观测器、线性状态误差反馈;
(211)跟踪微分器,用来安排过渡过程,给定信号v0作为参考输入其中,参数r0为跟踪微分器的快速因子;
(212)扩张状态观测器,对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿其中,β01、β02、β03为一组待整定的参数,参数的选取通过极点配置取β1=3ω0,β2=3ω02,β3=ω03;
(213)状态误差反馈控制律;
其中,k1和k2分别为比例和微分系数,通过极点配置取k1=ωc2,k2=2ωc;
2.2)内环控制器的设计;
四旋翼飞行器的内环为姿态环,分为3个独立的控制回路,横滚角控制回路、俯仰角控制回路和偏航角控制回路;
自抗扰控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器、状态误差反馈控制律三部分,其设计过程如下:(221)安排过渡过程,给定信号v0作为参考输入其中,fhan(e,v2,r0,h0)为最速跟踪控制综合函数,参数r0为跟踪微分器的快速因子,参数h0为跟踪微分器的滤波因子,h为积分步长;
(222)扩张状态观测器,对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿,其中,fal(e,0.25,δ)为非线性函数,δ、β01、β02、β03为一组待整定的参数;
(223)状态误差反馈控制律
其中,参数c为阻尼因子,fhan(e1,ce2,r,h)为最速跟踪控制综合函数,其表达式为非线性函数fal(e,a,δ)为: