CN111580541A - 一种基于adrc的无人机自抗扰控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统，涉及无人机控制领域，包括：二阶微分器、非线性反馈器、三阶状态观测器、第一比例调节器以及第二比例调节器；二阶微分器的输出量为第一输出量以及第二输出量；三阶状态观测器的输出量为第三输出量、第四输出量以及第五输出量；第一输出量与第三输出量经过比较环节得到第一输入量；第二输出量与第四输出量经过比较环节得到第二输入量；第一输入量与第二输入量共同作为非线性反馈器的输入量；第五输出量经过第一比例调节器后，与非线性反馈器的输入量经过比较环节构成反馈并获取第六输出量。通过本发明提供的系统可以缓解现有技术中无人机的控制存在，超调、震动及静态误差的技术问题。

Description

一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统

技术领域

本发明涉及发无人机控制技术领域，尤其是涉及一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统。

背景技术

在飞行过程中无人机将受到各种气流干扰、地面效应、陀螺效应以及螺旋桨挥舞特性等影响，为应对轻羽化无人机的这些外部随机干扰，对控制算法的鲁棒性提出了很强的要求，需要对PIXHAWK飞控程序进行改进。

目前已有的PIX飞行控制系统是基于PID控制思想所设计的，在实际应用中的效果并不是很好。对于飞机所受到的外界干扰，超调、震动及静态误差的情况依然存在。

综上所述，现有技术中，无人机系统的鲁棒性有待提高，同时无人机的控制存在，超调、震动及静态误差的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统，以缓解现有技术中无人机的控制存在，超调、震动及静态误差的技术问题，同时提高控制系统的鲁棒性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统，包括：二阶微分器、非线性反馈器、三阶状态观测器、第一比例调节器以及第二比例调节器；

所述二阶微分器的输出量为第一输出量以及第二输出量；

所述三阶状态观测器的输出量为第三输出量、第四输出量以及第五输出量；

所述第一输出量与所述第三输出量经过比较环节得到第一输入量；

所述第二输出量与所述第四输出量经过比较环节得到第二输入量；

所述第一输入量与所述第二输入量共同作为所述非线性反馈器的输入量；

所述第五输出量经过所述第一比例调节器后，与所述非线性反馈器的输入量经过比较环节构成反馈并获取所述第六输出量；

所述第六输出量作为被控对象的输入量对所述被控对象进行控制；

所述第六输出量通过所述第二比例调节器后，与所述被控对象的输出量共同构成所述状态观测器的输入量；

所述第一比例调节器与所述第二比例调节器的参数呈倒数关系。

优选的，所述第一输出量为俯仰角目标角速度、偏航角目标角速度以及滚转角目标角速度的任意一种；

所述第二输出量为俯仰角目标角加速度、偏航角目标角加速度以及滚转角目标角加速度的任意一种；

所述第三输出量为俯仰角实际角速度、偏航角实际角速度以及滚转角实际角速度的任意一种；

所述第四输出量为俯仰角实际角加速度、偏航角实际角加速度以及滚转角实际角加速度的任意一种；

所述第五输出量为系统的扰动。

优选的，所述二阶微分器满足如下要求：

x₁—第一输出量；

x₂—第二输出量；

v(t)—参考信号；

r—快速因子(人为设定的一个参数)；

sign—符号函数；

所述非线性反馈器满足如下关系

z₁—第三输出量；

z₂—第四输出量；

z₃—第五输出量；

f(x₁，x₂)—非线性模型；

β₀₁、β₀₂、β₀₃—人为设定的参数；

非线性反馈控制律

所述非线性反馈器满足如下规律：

u₀＝-fhan(e₁，ce₂，r，h₁)；

其中，fhan—最速控制综合函数，e₁，e₂—被观测量，c—阻尼因子，r—快速因子，h₁—滤波因子。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明提供了一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统，包括：二阶微分器、非线性反馈器、三阶状态观测器、第一比例调节器以及第二比例调节器；二阶微分器的输出量为第一输出量以及第二输出量；三阶状态观测器的输出量为第三输出量、第四输出量以及第五输出量；第一输出量与第三输出量经过比较环节得到第一输入量；第二输出量与第四输出量经过比较环节得到第二输入量；第一输入量与第二输入量共同作为非线性反馈器的输入量；第五输出量经过第一比例调节器后，与非线性反馈器的输入量经过比较环节构成反馈并获取第六输出量；第六输出量通过第二比例调节器后，与被控对象的输出量共同构成所述状态观测器的输入量；第一比例调节器与第二比例调节器的参数呈倒数关系。通过本发明提供的系统可以缓解现有技术中无人机的控制存在，超调、震动及静态误差的技术问题，同时提高控制系统的鲁棒性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统控制方框图；

图2(a)为本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统偏航角ADRC控制效果图；

图2(b)为本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统偏航角PID控制效果图；

图3(a)为本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统俯仰角ADRC控制效果图；

图3(b)为本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统俯仰角PID控制效果图；

图4(a)为本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统滚转角ADRC控制效果图；

图4(b)为本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统滚转角PID控制效果图；

图5为本发明实施例提供的控制量随时间变化曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，现有技术中，无人机系统的鲁棒性有待提高，同时无人机的控制存在，超调、震动及静态误差的技术问题。，基于此，本发明实施例提供的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统，可以缓解现有技术中无人机的控制存在，超调、震动及静态误差的技术问题，同时提高控制系统的鲁棒性。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统进行详细介绍。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统，包括：二阶微分器、非线性反馈器、三阶状态观测器、第一比例调节器以及第二比例调节器；

所述二阶微分器的输出量为第一输出量以及第二输出量；

进一步的，所述第一输出量如图1所示为X_1,第二输出量如图1所示为X₂；

所述三阶状态观测器的输出量为第三输出量、第四输出量以及第五输出量；

进一步的，所述第三输出量在图1中用Z₁,第四输出量在图1中用Z₂；第五输出量在图1中用Z₃；

所述第一输出量与所述第三输出量经过比较环节得到第一输入量；

所述第二输出量与所述第四输出量经过比较环节得到第二输入量；

所述第一输入量与所述第二输入量共同作为所述非线性反馈器的输入量；

所述第五输出量经过所述第一比例调节器后，与所述非线性反馈器的输入量经过比较环节构成反馈并获取所述第六输出量；

所述第六输出量作为被控对象的输入量对所述被控对象进行控制；

所述第六输出量通过所述第二比例调节器后，与所述被控对象的输出量共同构成所述状态观测器的输入量；

所述第一比例调节器与所述第二比例调节器的参数呈倒数关系。

通过前述可知，所述第一输出量与所述第三输出量经过非线性反馈器构成反馈通道；

所述第二输出量与所述第四输出量通过非线性反馈器构成反馈通道；

优选的，所述第一输出量为俯仰角目标角速度、偏航角目标角速度以及滚转角目标角速度的任意一种；

所述第二输出量为俯仰角目标角加速度、偏航角目标角加速度以及滚转角目标角加速度的任意一种；

进一步的，所述第一输出量为所述第二输出量的积分函数；

所述第三输出量为俯仰角实际角速度、偏航角实际角速度以及滚转角实际角速度的任意一种；

所述第四输出量为俯仰角实际角加速度、偏航角实际角加速度以及滚转角实际角加速度的任意一种；

所述第五输出量为系统的扰动。

优选的，所述二阶微分器满足如下要求：

x₁—第一输出量；

x₂—第二输出量；

v(t)—参考信号；

r—快速因子(人为设定的一个参数)；

sign—符号函数；

所述非线性反馈器满足如下关系

z₁—第三输出量；

z₂—第四输出量；

z₃—第五输出量；

f(x₁，x₂)—非线性模型；

β₀₁、β₀₂、β₀₃—人为设定的参数；

非线性反馈控制律

所述非线性反馈器满足如下规律：

u₀＝-fhan(e₁，ce₂，r，h₁)；

其中，fhan—最速控制综合函数，e₁，e₂—被观测量，c—阻尼因子，r—快速因子，h₁—滤波因子。

本发明具有如下技术效果

1)采用ADRC控制策略，较于以往的PID控制思想，鲁棒性更强，并且不存在超调、震动及静态误差的情况

2)采用二阶微分器可以使误差反馈增益和误差微分增益选取范围扩大，同时使给定的反馈增益所适应的对象参数范围扩大提高鲁棒性；

3)采用三阶状态观测器，引入总扰动的状态。

在本发明提供的实施例中，对ADCR以及PID控制效果进行了仿真，具体图2至图5所示。

通过图2(a)、图2(b)、图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)的对比，可知ADRC控制下系统的鲁棒性有所增强，同时系统的超调量减小，响应时间缩短。

PID控制下的参数设定：K_p＝1,K_d＝0.1,K_i＝5

ADRC下的参数设定：c＝0.5,r＝0.05,h₁＝0.006

图5中各控制量含义：v_f---偏航角的控制量v_b---俯仰角的控制量

v_r---滚转角的控制量v_l---总系统的控制量

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于ADRC的无人机自抗扰控制系统，其特征在于，包括：二阶微分器、非线性反馈器、三阶状态观测器、第一比例调节器以及第二比例调节器；

所述二阶微分器的输出量为第一输出量以及第二输出量；

所述三阶状态观测器的输出量为第三输出量、第四输出量以及第五输出量；

所述第一输出量与所述第三输出量经过比较环节得到第一输入量；

所述第二输出量与所述第四输出量经过比较环节得到第二输入量；

所述第一输入量与所述第二输入量共同作为所述非线性反馈器的输入量；

所述第五输出量经过所述第一比例调节器后，与所述非线性反馈器的输入量经过比较环节构成反馈并获取所述第六输出量；

所述第六输出量作为被控对象的输入量对所述被控对象进行控制；

所述第六输出量通过所述第二比例调节器后，与所述被控对象的输出量共同构成所述状态观测器的输入量；

所述第一比例调节器与所述第二比例调节器的参数呈倒数关系。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一输出量为俯仰角目标角速度、偏航角目标角速度以及滚转角目标角速度的任意一种；

所述第二输出量为俯仰角目标角加速度、偏航角目标角加速度以及滚转角目标角加速度的任意一种；

所述第三输出量为俯仰角实际角速度、偏航角实际角速度以及滚转角实际角速度的任意一种；

所述第四输出量为俯仰角实际角加速度、偏航角实际角加速度以及滚转角实际角加速度的任意一种；

所述第五输出量为系统的扰动。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述二阶微分器满足如下要求：

x₁—第一输出量；

x₂—第二输出量；

v(t)—参考信号；

r—快速因子(人为设定的一个参数)；

sign—符号函数；

所述非线性反馈器满足如下关系

z₁—第三输出量；

z₂—第四输出量；

z₃—第五输出量；

f(x₁，x₂)—非线性模型；

β₀₁、β₀₂、β₀₃—人为设定的参数；

非线性反馈控制律

所述非线性反馈器满足如下规律：

u₀＝-fhan(e₁，ce₂，r，h₁)；

其中，fhan—最速控制综合函数，e₁，e₂—被观测量，c—阻尼因子，r—快速因子，h₁—滤波因子。

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