[發明專利]基于自適應積分反步的四旋翼飛行器控制方法

有效

• 申請號: 201710370621.2
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN106970646B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 林達;石川
• 申請（專利權）人: 四川理工學院
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務所(普通合伙) 11548
• 代理人: 李靜

1.基于自適應積分反步的四旋翼飛行器控制方法，其特征在于：包括雙閉環控制結構，外環為位移控制器，由高度控制器和水平位移控制器所組成，分別由z、y、x的期望值z_d、y_d、x_d與其實際反饋值做差后，經過自適應積分反步控制算法求出控制高度和水平位移的輸入項即U₁，u_x和u_y，再進入內環即姿態控制器，由u_x和u_y反解算出俯仰和橫滾兩個姿態角的期望值φ_d、θ_d，與實際反饋值做差，而后經過積分反步控制算法，獲得控制俯仰角和橫滾角的輸入項即U₂，U₃，控制航向角的輸入項U₄也如此；

高度控制器的設計方法如下：

針對二階系統：

首先，定義一個跟蹤誤差以及其積分項：

定義為Z方向上的擾動的估計值，為實際的擾動值與擾動估計值的誤差，即

一般情況，陣風假定擾動在數值上是未知的和不可測量的，而且是時不變的時不變的，故

定義一個Lyapunov函數：

其中λ₅＞0， (14)

可以很明顯看出V(K₅,e₅)≥0，即正定，對上式進行求導可得：

f₁是虛擬控制量，令

其中α₅＞0， (16)

將式(16)帶入式(15)即可得，負定，由Lyapunov穩定性可知，穩定，

其次，定義一個二階的跟蹤誤差：

那么，

在這里，定義一個Lyapunov函數：

其中γ_z＞0 (20)

顯然是正定的，同樣求導可得：

為使負定，必須令

其中α₆＞0 (22)

系統穩定時可得：

水平位移控制器的設計方法如下：水平位移控制器分為X方向位移控制與Y方向位移控制，由于兩者算法推導相似，故這里只給出Y方向位移控制方法推導：

假設二階虛擬系統：

同高度Z方向，可以定義并推導得出式(25-32)：

其中λ₃＞0， (27)

其中α₃＞0， (28)

同樣，定義一個Lyapunov函數：

這里的ε是一個關于e₄的函數，對上式求導可得：

令

此時，

若

那么，

假設，下式成立：

ζ是一個包含K₃，e₃，e₄三個變量的函數，那么，若

其中β＞0，(39)則

當選取其中η₁，η₂，η₃＞0時，

可知成立且系統穩定，若選取整合比較后便可得到

同理可以求出X方向上的控制項，即：

其中，

最后，通過反解模塊就可將俯仰角和橫滾角的期望值求出，即

其中，

u_x＝(cosφsinθcosψ+sinφsinψ)，

u_y＝(cosφsinθcosψ-sinφsinψ)，

姿態控制器的設計方法如下：內環的姿態控制中，我們采用基于積分型的反步控制，且由于對俯仰角、航向角和橫滾角的算法推導近似，故只列寫俯仰角θ的推導公式：

假設二階虛擬系統：

同理可定義并推導得到公式(48-53)：

其中λ₉＞0， (47)

其中α₉＞0， (48)

在這里，定義一個Lyapunov函數：

顯然是正定的，同樣求導可得：

為使負定，必須令

同理可知，該系統是穩定的，由上式可知，

同理可得：

其中：

最后通過式(1)反解并開方可得飛行器的四個電機的運轉速度，即：