[發明專利]一種基于滑模變結構的四旋翼飛行控制方法

有效

• 申請號: 201510466230.1
• 申請日: 2015-08-03
• 公開（公告）號: CN105159305B
• 公開（公告）日: 2018-06-05
• 發明（設計）人: 孫一力;甄子洋;王新華;覃海群;王碩
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 彭雄

本發明公開了一種基于滑模變結構的四旋翼飛行控制方法，首先按照被控變量對控制輸入量響應速度不同的特點，將被控變量分為快變量、較快變量以及慢變量，將四旋翼無人直升機動力學模型劃分為快回路系統、較快回路系統和慢回路系統三個子系統；其次，針對快回路系統、較快回路系統和慢回路系統三個子系統分別設計基于動態逆控制方法的控制律；最后，針對快回路系統、較快回路系統和慢回路系統分別設計基于變滑模結構控制方法的控制律，以增強系統對參數攝動和外部擾動的魯棒性。本發明提高四旋翼無人直升機的穩態特性和動態特性。

技術領域

本發明公開了一種基于滑模變結構的四旋翼無人直升機飛行控制方法，屬于遙控模型(無人)多旋翼直升機的自主飛行控制技術領域。

背景技術

多旋翼無人直升機是一種結構簡單、易于操控、可垂直起降、懸停狀態穩定的無人飛行器。多旋翼無人直升機根據支臂數不同大致可以分為：三軸、四軸、六軸及八軸，除三軸結構以外，其他結構每個支臂可以采用單層旋翼布局或雙層旋翼布局。多旋翼飛行器不同的支臂數和旋翼數量，可以實現不同的負載能力。多旋翼無人直升機有極高的可控性、機動性和穩定性，并且具有低噪聲、無污染、攜帶方便、安全危害性小等特點，非常適合于執行中短距離的飛行任務。其在軍事和民用領域均具有廣闊的應用前景，如偵察監視、通信中繼、搜索救援、目標跟蹤、電力檢修、航拍成像等。

動態逆方法用對象模型生成原系統的逆系統，將對象補償成為具有線性傳遞關系的且已解耦的偽線性系統。在此情況下，線性系統和非線性系統的控制問題已不在有本質上的差別。動態逆方法在理論上形式統一，在物理概念上清晰直觀，在使用上簡單明了，適合工程應用。基于精確模型的動態逆控制的飛行控制系統雖然可以得到較好的動態特性，但在參數不確定性和外界干擾的情況下，僅采用動態逆控制得到的系統魯棒性差。

滑模變結構控制這種控制策略與常規控制的根本區別在于控制的不連續性，即系統“結構”隨時變化，迫使系統沿規定的狀態軌跡作小幅度、高頻率的振動。滑動模態是可以設計的，且與系統的參數及擾動無關。這樣，具有滑動模態的控制系統具有很好的魯棒性。許多研究工作及工程實踐已經證明，滑模變結構控制具有響應速度快、對參數攝動及外界干擾不靈敏、無需系統在線辨識、物理實現簡單等本質優點。

因此，為使四旋翼無人直升機具有較好的動態特性和穩態特性，采用動態逆和變結構控制相結合的方法設計的四旋翼無人直升機飛行控制律是有必要的。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于滑模變結構的四旋翼飛行控制方法，用于提高四旋翼無人直升機的穩態特性和動態特性。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于滑模變結構的四旋翼飛行控制方法，包括以下步驟：

步驟1，按照被控變量對控制輸入量響應速度不同的特點，將被控變量分為快變量、較快變量以及慢變量，將四旋翼無人直升機動力學模型劃分為快回路系統、較快回路系統和慢回路系統三個子系統；

步驟2，針對步驟1的快回路系統、較快回路系統和慢回路系統三個子系統分別設計基于動態逆控制方法的控制律；

步驟3，慢回路系統根據步驟1的慢變量的控制量以及四旋翼無人直升機反饋的慢變量實際值進行變滑模結構控制，得到較快變量的控制量；較快回路系統根據該較快變量的控制量以及四旋翼無人直升機反饋的較快變量實際值進行變滑模結構控制，得到快變量的控制量；快回路系統根據該快變量的控制量以及四旋翼無人直升機反饋的快變量實際值進行變滑模結構控制，得到四旋翼無人直升機的控制量。

快回路系統包括快回路動態逆控制模塊和快回路變滑模結構控制模塊，該快回路指角速度回路；