[發(fā)明專利]一種基于快速非奇異終端滑模的四旋翼無(wú)人機(jī)有限時(shí)間自適應(yīng)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710532298.4
• 申請(qǐng)日: 2017-07-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107479371B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳強(qiáng);葉艷;胡如海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

一種基于快速非奇異終端滑模的四旋翼無(wú)人機(jī)有限時(shí)間自適應(yīng)控制方法，針對(duì)帶有慣性不確定因素以及外部擾動(dòng)的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，利用快速非奇異終端滑模控制方法，再結(jié)合自適應(yīng)控制，設(shè)計(jì)一種基于快速非奇異終端滑模的四旋翼無(wú)人機(jī)自適應(yīng)控制方法。快速非奇異終端滑模的設(shè)計(jì)是為了保證系統(tǒng)的有限時(shí)間收斂特性和較快的收斂速度，并且避免了終端滑模控制存在的奇異性問(wèn)題，有效削弱了抖振問(wèn)題。另外，自適應(yīng)控制是用來(lái)處理系統(tǒng)的慣性不確定性和外部干擾的。本發(fā)明提供了一種能消除滑模面奇異性問(wèn)題，并且能有效抑制和補(bǔ)償系統(tǒng)存在的慣性不確定性及外部干擾的控制方法，保證系統(tǒng)的有限時(shí)間收斂特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于快速非奇異終端滑模的四旋翼無(wú)人機(jī)有限時(shí)間自適應(yīng)控制方法，特別是帶有慣性不確定因素以及外部擾動(dòng)的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)控制方法。

背景技術(shù)

四旋翼無(wú)人機(jī)作為旋翼飛行器的一種，通過(guò)控制四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的飛行控制能夠方便的完成起飛與降落等動(dòng)作，被大量應(yīng)用于航空攝影、地質(zhì)勘查、搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境評(píng)估等領(lǐng)域。由于四旋翼無(wú)人機(jī)體積小且重量輕，飛行中易受到外部干擾，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的高性能運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的控制問(wèn)題，存在很多控制方法，例如PID控制、自抗擾控制、滑模控制等。

其中滑模控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)包括響應(yīng)速度快、實(shí)施方便、對(duì)系統(tǒng)不確定和外部干擾的魯棒性等。對(duì)比傳統(tǒng)的滑模控制，終端滑模控制能實(shí)現(xiàn)有限時(shí)間收斂，但系統(tǒng)存在奇異點(diǎn)，其在本質(zhì)上的不連續(xù)開(kāi)關(guān)特性將會(huì)引起系統(tǒng)的抖振，對(duì)系統(tǒng)在實(shí)際情況中的應(yīng)用有很大阻礙。為解決這一問(wèn)題，非奇異終端滑模控制被提出，這種方法在實(shí)際情況中有效地解決了系統(tǒng)的奇異性問(wèn)題，且保證了系統(tǒng)有限時(shí)間收斂特性與較強(qiáng)的魯棒性。而快速非奇異終端滑模在非奇異終端滑模的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決了終端滑模收斂速度慢的特點(diǎn)。

對(duì)具有慣性不確定性的四旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，存在外部干擾及參數(shù)不確定性。外部干擾帶來(lái)的氣動(dòng)干擾、陀螺力矩干擾、參數(shù)攝動(dòng)等問(wèn)題會(huì)影響四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制的靈敏度和穩(wěn)定性。因此，在滑模控制的基礎(chǔ)上可應(yīng)用自適應(yīng)法來(lái)估計(jì)干擾和系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)計(jì)估計(jì)律使得系統(tǒng)有更好的穩(wěn)態(tài)性能。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)存在的外部干擾和慣性不確定性問(wèn)題以及終端滑模控制的奇異性問(wèn)題的不足，本發(fā)明提供了一種具有自適應(yīng)控制的四旋翼無(wú)人機(jī)快速非奇異終端滑模控制方法，消除了系統(tǒng)奇異性問(wèn)題，有效抑制了抖振現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)存在的擾動(dòng)進(jìn)行抑制和補(bǔ)償，保證系統(tǒng)的有限時(shí)間收斂特性且提高了系統(tǒng)的收斂速度。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題提出的技術(shù)方案如下：

一種基于快速非奇異終端滑模的四旋翼無(wú)人機(jī)有限時(shí)間自適應(yīng)控制方法，包括以下步驟：

步驟1，建立四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，初始化系統(tǒng)狀態(tài)、采樣時(shí)間和系統(tǒng)參數(shù)，過(guò)程如下：

1.1假設(shè)無(wú)人機(jī)是剛性完全對(duì)稱的，且其中心與機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，建立坐標(biāo)系，一個(gè)是基于地球的慣性坐標(biāo)系，由坐標(biāo)軸X_E、Y_E、Z_E確定，另一個(gè)是基于四旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系，由坐標(biāo)軸X_B、Y_B、Z_B確定，從機(jī)體坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)移矩陣M為:

其中，ψ、θ、φ分別稱為無(wú)人機(jī)的偏航角、俯仰角、翻滾角，表示慣性坐標(biāo)系繞其各坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度；

1.2根據(jù)牛頓歐拉公式分析動(dòng)力學(xué)模型，平動(dòng)狀態(tài)下有：

其中x、y、z分別表示四旋翼無(wú)人機(jī)在慣性坐標(biāo)系下的位置，m為無(wú)人機(jī)的質(zhì)量，U_F表示四個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力，mg為無(wú)人機(jī)所受的重力，g是重力加速度，U_F和mg之和表示作用在無(wú)人機(jī)上的合外力F；