本發(fā)明涉及無人機控制領域，尤其涉及一種基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法。

背景技術：

1、四旋翼無人機以其緊湊的體積、低廉的成本和卓越的機動性，在農業(yè)監(jiān)測、災害評估、交通監(jiān)控等場景中扮演著關鍵角色，廣泛應用于數(shù)據采集、圖像分析和其他監(jiān)測任務。為確保四旋翼無人機按照預定軌跡執(zhí)行飛行任務，高精度的軌跡跟蹤控制十分關鍵。然而，四旋翼無人機是一種非線性、強耦合和欠驅動的復雜系統(tǒng)，極易受到內部參數(shù)攝動、外部氣流變化和建模不準確等多源未知擾動影響，增加了設計高效可靠無人機軌跡跟蹤控制策略的復雜性。

2、目前主流方案是通過設計擴張狀態(tài)觀測器對多源未知擾動進行精確估計，并利用這些估計的擾動信息驅動控制器來衰減或抵消擾動的影響。雖然現(xiàn)有方案能夠一定程度上減輕來自無人機內部不確定性和外部擾動的影響，但是這種方案難以平衡快速性與超調性之間的矛盾，對傳感器的要求較高，難以處理不存在閉式解的期望信號，導致無人機控制系統(tǒng)復雜、成本較高、且遭遇未知時變擾動時控制精度較差。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明旨在提供一種基于通過跟蹤微分器、自適應理論和galn函數(shù)優(yōu)化的擴張狀態(tài)觀測器的采用非奇異終端滑模自抗擾控制策略的無人機魯棒控制方法。

2、技術方案：本發(fā)明所述的基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，包括以下步驟：

3、（1）建立基于多源擾動的四旋翼無人機動力學模型；

4、（2）向四旋翼無人機動力學模型引入虛擬控制量，確定控制量分配策略；

5、（3）采用最速控制綜合函數(shù)設計跟蹤微分器，跟蹤無人機的軌跡信號；

6、（4）根據無人機位置姿態(tài)信息和由跟蹤微分器獲得的跟蹤信號，得到狀態(tài)誤差信息，確定狀態(tài)誤差系統(tǒng)，引入集總擾動重構狀態(tài)誤差系統(tǒng)；

7、（5）根據重構的狀態(tài)誤差系統(tǒng)，結合自適應理論和galn函數(shù)，設計擴張狀態(tài)觀測器，結合當前的各通道控制量，估算各通道的狀態(tài)誤差變化率估計和集總擾動估計；

8、（6）構建非奇異終端積分滑?？刂破?，根據重構的狀態(tài)誤差系統(tǒng)、狀態(tài)誤差變化率和集總擾動，確定非奇異終端滑模自抗擾控制策略，得到無人機每個通道的控制量；

9、（7）將步驟（5）得到的狀態(tài)誤差變化率估計作為當前無人機的狀態(tài)誤差變化率，

10、集總擾動估計作為當前無人機的集總擾動，實現(xiàn)無速度傳感器控制，無速度傳感控制器輸出的控制量反饋給步驟（5）中的擴張狀態(tài)觀測器；

11、（8）根據步驟（2）的控制量分配策略，將步驟（7）得到的控制量轉化為四旋翼無人機的電機的推力指令，控制無人機運動的同時將無人機實時位置姿態(tài)信息反饋到步驟（4），完成控制閉環(huán)，實現(xiàn)對無人機的魯棒性控制。

12、進一步的，步驟（2）中的控制量分配策略為

13、；

14、。

15、進一步的，步驟（3）中，采用最速控制綜合函數(shù)設計跟蹤微分器為

16、。

17、進一步的，步驟（4）中，集總擾動為

18、；

19、。

20、進一步的，步驟（4）中，引入集總擾動后重構狀態(tài)誤差系統(tǒng)為

21、。

22、進一步的，步驟（5）中，設計擴張狀態(tài)觀測器包括位置環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器和姿態(tài)環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器；所述位置環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器為

23、；

24、所述姿態(tài)環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器為

25、。

26、進一步的，步驟（6）具體如下：根據重構的狀態(tài)誤差系統(tǒng)、狀態(tài)誤差變化率和集總擾動，確定非奇異終端積分滑模面函數(shù)；基于自適應理論，滑模趨近律采用雙曲正切函數(shù)，得到自適應滑模趨近律；根據非奇異終端積分滑模面函數(shù)的一階導數(shù)和自適應滑模趨近律，得到無人機每個通道的控制量；所述非奇異終端積分滑模面函數(shù)為

27、；

28、。

29、進一步的，步驟（6）中，自適應滑模趨近律為

30、；

31、；

32、；

33、。

34、進一步的，步驟（6）中，無人機每個通道的控制量為

35、。

36、進一步的，步驟（7）中，無速度傳感控制器具體如下：

37、；

38、；

39、。

40、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是：1、本發(fā)明采用最速控制綜合函數(shù)設計跟蹤微分器，跟蹤無人機的期望軌跡信號，顯著提高了無人機對復雜軌跡的跟蹤精度，而且在保證快速響應的同時，有效減少了系統(tǒng)的超調現(xiàn)象，并優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提升了控制效率，降低了能耗，為無人機在多源干擾條件下的穩(wěn)定飛行提供了強有力的支持；2、本發(fā)明結合自適應理論和galn函數(shù)對傳統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器進行優(yōu)化，提高了觀測器的觀測精度，增強了其對系統(tǒng)動態(tài)變化的適應能力，簡化了參數(shù)調整流程，提升了在不確定環(huán)境下的性能表現(xiàn)，確保了觀測器在面對模型誤差和外部擾動時的穩(wěn)定性和可靠性；3、本發(fā)明通過重構狀態(tài)誤差系統(tǒng)，將期望信號及其二階導數(shù)信息這些通常難以用閉式解表示的動態(tài)特性，納入集總擾動范疇，利用經過優(yōu)化的擴張狀態(tài)觀測器對這一集總擾動進行精確觀測，有效地繞開了期望信號閉式解缺失的難題，不僅保證了控制策略的嚴謹性和實用性，而且提升了系統(tǒng)在處理復雜期望軌跡時的控制性能；4、本發(fā)明采用優(yōu)化的擴張狀態(tài)觀測器來精確觀測狀態(tài)誤差的變化率，并以此觀測值替代傳統(tǒng)的真實反饋信號，進而設計非奇異終端滑模控制器，減少了無人機對速度傳感器的依賴性，從而降低了整個無人機系統(tǒng)的復雜性和成本開銷，實現(xiàn)了無人機的無速度傳感器控制，不僅提升了系統(tǒng)的集成度和經濟性，也為無人機控制技術開辟了新的路徑，實現(xiàn)了更加高效和經濟的飛行控制解決方案；5、本發(fā)明根據重構的狀態(tài)誤差系統(tǒng)、狀態(tài)誤差變化率和集總擾動，確定的非奇異終端積分滑模面函數(shù)，能夠有效避免奇異值問題，從而提高了系統(tǒng)的收斂速度；6、本發(fā)明采用的自適應滑模趨近律，增加了趨近速度，減少了系統(tǒng)抖振，進一步提高了系統(tǒng)的整體性能，控制量輸出變得更加平滑，從而提高了無人機在復雜環(huán)境下的控制精度和魯棒性。

技術特征：

1.一種基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（2）中的控制量分配策略為

3.根據權利要求2所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（3）中，采用最速控制綜合函數(shù)設計跟蹤微分器為

4.根據權利要求3所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（4）中，集總擾動為

5.根據權利要求4所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（4）中，引入集總擾動后重構狀態(tài)誤差系統(tǒng)為

6.根據權利要求5所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（5）中，設計擴張狀態(tài)觀測器包括位置環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器和姿態(tài)環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器；所述位置環(huán)狀態(tài)誤差系統(tǒng)擴張狀態(tài)觀測器為

7.根據權利要求6所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（6）具體如下：根據重構的狀態(tài)誤差系統(tǒng)、狀態(tài)誤差變化率和集總擾動，確定非奇異終端積分滑模面函數(shù)；

8.根據權利要求7所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（6）中，自適應滑模趨近律為

9.根據權利要求8所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（6）中，無人機每個通道的控制量為

10.根據權利要求9所述基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，其特征在于，步驟（7）中，無速度傳感控制器具體如下：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于擴張狀態(tài)觀測器的無人機魯棒控制方法，采用跟蹤微分器跟蹤無人機的軌跡信號，引入集總擾動重構狀態(tài)誤差系統(tǒng)，結合自適應理論和galn函數(shù)，設計擴張狀態(tài)觀測器，估算各通道的狀態(tài)誤差變化率估計和集總擾動估計，確定非奇異終端滑模自抗擾控制策略，得到無人機每個通道的控制量；將狀態(tài)誤差變化率估計作為當前無人機的狀態(tài)誤差變化率，集總擾動估計作為當前無人機的集總擾動，實現(xiàn)無速度傳感器控制，無速度傳感控制器輸出的控制量反饋給擴張狀態(tài)觀測器；根據控制量分配策略，將控制量轉化為四旋翼無人機的電機的推力指令，控制無人機運動的同時將無人機實時位置姿態(tài)信息反饋完成控制閉環(huán)，實現(xiàn)對無人機的魯棒性控制。

技術研發(fā)人員：臧強,侍經緯,李瑞,喬馨霆,卓若水,葉正言,徐梁,張婷婷,柏宗春,方衛(wèi)華
受保護的技術使用者：南京信息工程大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/23