一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法 技術(shù)領(lǐng)域 [0001] 本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法。 背景技術(shù) [0002] 四旋翼無(wú)人機(jī)以其緊湊的體積、低廉的成本和卓越的機(jī)動(dòng)性，在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估、交通監(jiān)控等場(chǎng)景中扮演著關(guān)鍵角色，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、圖像分析和其他監(jiān)測(cè)任務(wù)。 為確保四旋翼無(wú)人機(jī)按照預(yù)定軌跡執(zhí)行飛行任務(wù)，高精度的軌跡跟蹤控制十分關(guān)鍵。然而，四旋翼無(wú)人機(jī)是一種非線性、強(qiáng)耦合和欠驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)，極易受到內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)、外部氣流變化和建模不準(zhǔn)確等多源未知擾動(dòng)影響，增加了設(shè)計(jì)高效可靠無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制策略的復(fù)雜性。 [0003] 目前主流方案是通過(guò)設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)多源未知擾動(dòng)進(jìn)行精確估計(jì)，并利用這些估計(jì)的擾動(dòng)信息驅(qū)動(dòng)控制器來(lái)衰減或抵消擾動(dòng)的影響。雖然現(xiàn)有方案能夠一定程度上減輕來(lái)自無(wú)人機(jī)內(nèi)部不確定性和外部擾動(dòng)的影響，但是這種方案難以平衡快速性與超調(diào)性之間的矛盾，對(duì)傳感器的要求較高，難以處理不存在閉式解的期望信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高、且遭遇未知時(shí)變擾動(dòng)時(shí)控制精度較差。 發(fā)明內(nèi)容 [0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明旨在提供一種基于通過(guò)跟蹤微分器、自適應(yīng)理論和galn函數(shù)優(yōu)化的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的采用非奇異終端滑模自抗擾控制策略的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法。 [0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法，包括以下步驟： [0006] （1）建立基于多源擾動(dòng)的四旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型； [0007] （2）向四旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型引入虛擬控制量，確定控制量分配策略； [0008] （3）采用最速控制綜合函數(shù)設(shè)計(jì)跟蹤微分器，跟蹤無(wú)人機(jī)的軌跡信號(hào)； [0009] （4）根據(jù)無(wú)人機(jī)位置姿態(tài)信息和由跟蹤微分器獲得的跟蹤信號(hào)，得到狀態(tài)誤差信息，確定狀態(tài)誤差系統(tǒng)，引入集總擾動(dòng)重構(gòu)狀態(tài)誤差系統(tǒng)； [0010] （5）根據(jù)重構(gòu)的狀態(tài)誤差系統(tǒng)，結(jié)合自適應(yīng)理論和galn函數(shù)，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，結(jié)合當(dāng)前的各通道控制量，估算各通道的狀態(tài)誤差變化率估計(jì)和集總擾動(dòng)估計(jì)； [0011] （6）構(gòu)建非奇異終端積分滑?？刂破鳎鶕?jù)重構(gòu)的狀態(tài)誤差系統(tǒng)、狀態(tài)誤差變化率和集總擾動(dòng)，確定非奇異終端滑模自抗擾控制策略，得到無(wú)人機(jī)每個(gè)通道的控制量； [0012] （7）將步驟（5）得到的狀態(tài)誤差變化率估計(jì)作為當(dāng)前無(wú)人機(jī)的狀態(tài)誤差變化率，[0013] 集總擾動(dòng)估計(jì)作為當(dāng)前無(wú)人機(jī)的集總擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制，無(wú)速度傳感控制器輸出的控制量反饋給步驟（5）中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器； [0014] （8）根據(jù)步驟（2）的控制量分配策略，將步驟（7）得到的控制量轉(zhuǎn)化為四旋翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)的推力指令，控制無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)將無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置姿態(tài)信息反饋到步驟（4），完成控制閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的魯棒性控制。 [0015] 進(jìn)一步的，步驟（2）中的控制量分配策略為 [0016] ； [0017] 。 [0018] 進(jìn)一步的，步驟（3）中，采用最速控制綜合函數(shù)設(shè)計(jì)跟蹤微分器為[0019] 。 [0020] 進(jìn)一步的，步驟（4）中，集總擾動(dòng)為 [0021] ； [0022] 。 [0023] 進(jìn)一步的，步驟（4）中，引入集總擾動(dòng)后重構(gòu)狀態(tài)誤差系統(tǒng)為 [0024] 。 [0025] 進(jìn)一步的，步驟（5）中，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器包括位置環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和姿態(tài)環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器；所述位置環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為[0026] ； [0027] 所述姿態(tài)環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為 [0028] 。 [0029] 進(jìn)一步的，步驟（6）具體如下：根據(jù)重構(gòu)的狀態(tài)誤差系統(tǒng)、狀態(tài)誤差變化率和集總擾動(dòng)，確定非奇異終端積分滑模面函數(shù)；基于自適應(yīng)理論，滑模趨近律采用雙曲正切函數(shù)，得到自適應(yīng)滑模趨近律；根據(jù)非奇異終端積分滑模面函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)和自適應(yīng)滑模趨近律，得到無(wú)人機(jī)每個(gè)通道的控制量；所述非奇異終端積分滑模面函數(shù)為 [0030] ； [0031] 。 [0032] 進(jìn)一步的，步驟（6）中，自適應(yīng)滑模趨近律為 [0033] ； [0034] ； [0035] ； [0036] 。 [0037] 進(jìn)一步的，步驟（6）中，無(wú)人機(jī)每個(gè)通道的控制量為 [0038] 。 [0039] 進(jìn)一步的，步驟（7）中，無(wú)速度傳感控制器具體如下： [0040] ； [0041] ； [0042] 。

1.一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法，其特征在于，包括以下步驟： （1）建立基于多源擾動(dòng)的四旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型； （2）向四旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型引入虛擬控制量，確定控制量分配策略； （3）采用最速控制綜合函數(shù)設(shè)計(jì)跟蹤微分器，跟蹤無(wú)人機(jī)的軌跡信號(hào)； （4）根據(jù)無(wú)人機(jī)位置姿態(tài)信息和由跟蹤微分器獲得的跟蹤信號(hào)，得到狀態(tài)誤差信息，確定狀態(tài)誤差系統(tǒng)，引入集總擾動(dòng)重構(gòu)狀態(tài)誤差系統(tǒng)； （5）根據(jù)重構(gòu)的狀態(tài)誤差系統(tǒng)，結(jié)合自適應(yīng)理論和galn函數(shù)，設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，結(jié)合當(dāng)前的各通道控制量，估算各通道的狀態(tài)誤差變化率估計(jì)和集總擾動(dòng)估計(jì)； （6）構(gòu)建非奇異終端積分滑?？刂破?，根據(jù)重構(gòu)的狀態(tài)誤差系統(tǒng)、狀態(tài)誤差變化率和集總擾動(dòng)，確定非奇異終端滑模自抗擾控制策略，得到無(wú)人機(jī)每個(gè)通道的控制量； （7）將步驟（5）得到的狀態(tài)誤差變化率估計(jì)作為當(dāng)前無(wú)人機(jī)的狀態(tài)誤差變化率，集總擾動(dòng)估計(jì)作為當(dāng)前無(wú)人機(jī)的集總擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制，無(wú)速度傳感控制器輸出的控制量反饋給步驟（5）中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器； （8）根據(jù)步驟（2）的控制量分配策略，將步驟（7）得到的控制量轉(zhuǎn)化為四旋翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)的推力指令，控制無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)將無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)位置姿態(tài)信息反饋到步驟（4），完成控制閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的魯棒性控制。 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法，其特征在于，步驟（2）中的控制量分配策略為 ； ； 其中， 表示無(wú)人機(jī)螺旋槳提供的總升力， 、 、 為位置環(huán)虛擬控制量， 、、 分別表示橫滾通道、俯仰通道和偏航通道的期望輸入， 、 、 分別表示無(wú)人機(jī)的橫滾角、俯仰角和偏航角。 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法，其特征在于，步驟（3）中，采用最速控制綜合函數(shù)設(shè)計(jì)跟蹤微分器為 ； 其中， 為最速控制綜合函數(shù)， 為 通道的期望輸入， 為期望信號(hào)的跟蹤信號(hào)， 為期望信號(hào)的微分信號(hào)，為系統(tǒng)速度因子， 為濾波因子， 、 、 表示無(wú)人機(jī)的位置坐標(biāo)， 。 4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的無(wú)人機(jī)魯棒控制方法，其特征在于，步驟（4）中，集總擾動(dòng)為 ； ；