[發明專利]一種基于MIMO非線性不確定反步法的四旋翼位姿控制方法

有效

• 申請號: 201510355319.0
• 申請日: 2015-06-24
• 公開（公告）號: CN104932512B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 孫長銀;潘汛;余瑤;張蘭;郭金;胡艷艷
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發明涉及自動化控制技術領域，特別是指一種基于MIMO非線性不確定反步法的四旋翼位姿控制方法。

背景技術

固定翼飛行器載重能力強，飛行速度快，適合長航時的大面積巡航任務，旋翼飛行器可執行垂直起降，前后側飛，懸停等高難度任務，具有機動能力強，位姿跟蹤能力出色等特點。正是由于在工作方式上具有優勢互補的特點，在特定的應用環境中，旋翼飛行器可以完成許多固定翼飛行器難以完成的任務，如地面目標跟蹤，電力巡線、環境勘測等，具有重大的實用價值。因此，對旋翼飛行器進行深入的研究是很有必要的。

四旋翼飛行器是除了傳統直升機外，旋翼類飛行器的又一典型代表，直升機的機械結構包括主槳和尾槳，尾槳用于抵消主槳旋轉產生的附加力矩，控制較復雜，四旋翼利用分布在機體周圍的四個旋翼提供升力，具有旋翼揮舞面積小、轉速低、安全系數高等特點。四旋翼的飛行方式靈活多變，機動能力較強，但由其運動原理決定的欠驅動、強耦合、非線性等特點，使控制器的設計工作變得較為困難。

旋翼類飛行器是非自穩系統，如果不對其加以控制，在外界或自身擾動的作用下，旋翼類飛行器是不穩定的，會出現失控(如墜機、角度震蕩發散等)情況。旋翼類飛行器的控制器一般是利用反饋信息和參考信號之間的偏差作為輸入，按照設計的控制律計算控制器輸出，通常也是被控對象的執行機構輸入，當控制律表征的輸入輸出關系合理時，執行機構的動作會抑制旋翼類飛行器的不穩定運動趨勢。

目前，工程上廣泛采用常規的PID控制方法設計的常規控制器，該常規控制器對四旋翼飛行器模型的精度無太大要求，忽略四旋翼飛行器模型中不確定項的影響，然而這種近似只在四旋翼處于近懸停狀態成立，當四旋翼進行大機動飛行時，常規控制器性能急劇變差，存在潛在的安全隱患；同時，常規控制器僅為控制系統輸出提供反饋通道，控制律設計過程簡單，控制精度低和控制性能差，難以應對飛行過程中的強耦合、四旋翼飛行器模型的不確定性和外界干擾，如：四旋翼執行航跡跟蹤任務時，常規的PID控制器，難以保證軌跡跟蹤精度高、響應快速和抗干擾能力強等特性同時得到滿足。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于MIMO非線性不確定反步法的四旋翼位姿控制方法，以解決現有技術所存在的采用常規的PID控制方法難以應對飛行過程中的強耦合、四旋翼飛行器模型的不確定性和外界干擾的問題。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供一種基于MIMO非線性不確定反步法的四旋翼位姿控制方法，包括:

基于空氣動力學和旋翼飛行器運動原理，并根據控制性能要求建立四旋翼飛行器數學模型；

根據所述四旋翼飛行器數學模型和精度要求，建立四旋翼飛行器模型；

根據所述四旋翼飛行器數學模型和四旋翼飛行器模型的不確定性、外界干擾、欠驅動、強耦合特性，確定基于內外環控制的反步魯棒補償控制器。

可選地，所述根據所述四旋翼飛行器數學模型和精度要求，建立四旋翼飛行器模型包括：

對四旋翼飛行器進行受力分析和運動學分析，根據所述四旋翼飛行器數學模型和精度要求，通過機理建模確定四旋翼飛行器模型的結構；

根據四旋翼飛行器模型的結構，通過系統辨識、測量方式確定四旋翼飛行器模型的參數，其中，辨識對象為實踐工程中的四旋翼飛行器，辨識的內容包括：轉動慣量、旋翼臂長、模型階次；

對四旋翼飛行器模型的結構和參數進行驗證；

將所述四旋翼飛行器模型用確定性和不確定性兩個部分表示，并結合實踐工程，減小不確定性部分所占的比重。

可選地，所述四旋翼飛行器數學模型包括：表示四旋翼飛行器在地面坐標系中位置的位置方程組和表示四旋翼飛行器在地面坐標系中姿態的姿態方程組；

所述位置方程組表示如下：

其中，不確定項φ,θ,ψ表示歐拉角，u₁表示旋翼升力，m表示四旋翼質量，g表示重力加速度，c_x,c_y,c_z表示空氣阻力系數，x,y,z表示四旋翼飛行器的空間位置，分別表示x,y,z的導數；分別表示的導數；

所述姿態方程組表示如下：