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申请/专利权人:江苏师范大学
摘要:本发明公开了一种基于改进模糊自抗扰的四旋翼无人机姿态控制方法,步骤包括:建立带多源扰动的四旋翼无人机数学模型;设计位置环控制器;设计非线性函数;设计改进扩张状态观测器;改进ESO收敛条件分析;设计姿态环环控制器。本发明通过在扩张状态观测器中设计改进非线性函数并且加入模糊控制实现参数自整定;在位置环设计串级PID控制,实现了位置跟踪控制;姿态环设计改进模糊自抗扰控制器,实现了姿态控制。本发明改善了观测器的观测性能,进而提高了控制器对多源扰动的抑制能力,使四旋翼无人机的稳态过程具有更高的鲁棒性,提高了四旋翼无人机在多源扰动下的复杂环境中工作时的抗干扰性。
主权项:1.一种基于改进模糊自抗扰的四旋翼无人机姿态控制方法,其特征在于,包括如下步骤:S1.建立带多源扰动的四旋翼无人机数学模型,步骤如下:S1.1.建立基于地球三维空间的地面坐标系EOE,XE,YE,ZE和基于四旋翼无人机的机体坐标系BOB,XB,YB,ZB;在地面坐标系下,定义三个欧拉角[φ,θ,ψ],分别对应为滚转角、俯仰角和偏航角;其中,横滚角φ和俯仰角θ的取值范围均为-0.5π,0.5π,偏航角ψ的取值范围为-π,π;S1.2.根据牛顿-欧拉方程,建立四旋翼无人机动力学模型如下: 式中,m表示四旋翼无人机的总质量;g表示重力加速度;K1,K2,……,K6表示阻力系数;d1,d2,……,d6表示含有风扰、传感器噪声以及参数摄动的多源总扰动;l表示四旋翼无人机旋翼末端到飞行器重心的距离;Ix,Iy,Iz表示三轴的转动惯量;u1,u2,u3,u4表示控制输入表示控制输入: 式中,F1,F2,F3,F4是四个转子产生的推力,视为系统的实际控制输入;S1.3.位置子系统引入虚拟控制量ux,uy,uz分别为: 将式1整理为: 式中,X1=[x,y,z,φ,θ,ψ]T,U=[ux,uy,uz,u2,u3,u4]T,D=[d1,d2,d3,d4,d5,d6]Τ,且D已知上界限;S1.4.根据式3反解期望俯仰角θd和期望滚转角φd: S2.设计位置环控制器,步骤如下:S2.1.设计水平通道串级PID控制器,将该子系统分为内环和外环,外环以位置误差作为输入量,采用比例环节,设计控制器为: 式中,k1px、k1py为比例环节系数,e1d、e2d为期望位置xd、yd和实际位置x、y的误差;内环以外环的输出作为输入,该环节使用比例-积分-微分控制,设计控制器为: 式中,K2p、K2i、K2d分别为比例环节、积分环节、微分环节常系数矩阵,将式7带入式1中得: S2.2.设计高度通道串级PID控制器,将该子系统分为内环和外环,外环以位置误差作为输入量,采用比例环节,设计控制器为: 将9带入1得: S3.设计非线性函数,步骤如下:依据非线性函数选取原则设计非线性函数为: 式中,δ>0,a>0是调节因子,与原非线性函数中的调节因子一一对应;S3.2.取fal函数和narcfal函数在e>1时的误差增益为: 将g2e·e中的未知项视为独立项,分别取最大值为: 则:g2e·e<Max[g2e·e]<114综上,在e>1时,g2e·e<1<g1e·e始终成立;S4.设计改进扩张状态观测器,具体步骤如下:S4.1.加入模糊控制实现ESO自适应:定义输入为误差信号e1及误差微分信号e2,输出为ESO的增益参数Δβ01、Δβ02、Δβ03;定义输入量基本论域为[-50,50],输出量基本论域分别为[-100,100]、[-100,100]、[-30,30];语言子集定义为:负大、负中、负小、正大、正中、正小;模糊推理为: 并建立模糊规则表;S4.2.根据S3和S4.1,建立改进ESO为: 式中,e1为观测值和实际值的误差,β0i+Δβ0i为改进后ESO的增益参数;令β0i+Δβ0i=Pi,进一步得到观测误差为: S4.3.根据S4.2建立矩阵方程为: 式中,F1=narcfal1e1,F2=narcfal2e1;S5.改进ESO收敛条件分析,步骤如下:S5.1.建立收敛性分析矩阵HAe为: 式中,H为对角线为正数的矩阵,定义为: F为有界量,其范围为: S5.2.存在H使得HAe为正定对称矩阵,式17的零解为Lyapunov渐进稳定,则HAe需要满足以下条件: 令h11=1,h22=h33=λ,λ为无限接近0的正数,结合式23和式24得到收敛条件为:P1P2>P325;S6.设计姿态环环控制器,步骤如下:S6.1.姿态系统解耦处理:建立系统的状态空间方程: 其中, S6.2.设计跟踪微分器:自抗扰控制基于最速综合函数fhan·建立最速反馈系统,构造跟踪微分器: 其中fhan函数为: 式中,v为设定的参考输入,v1为跟踪输出信号,v2为微分信号,r为快速因子参数,h为滤波因子;S6.3.设计改进扩张状态观测器:将式27中的[ωφ,ωθ,ωψ]T扩张为新的状态变量: 选择俯仰通道建立改进扩张状态观测器与式16一致;S6.4.设计非线性状态误差反馈控制律:将ESO和TD的误差进行非线性组合,具体表达式为: 式中,e1、e2分别为误差信号、误差微分信号;b0为补偿因子。
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