[發明專利]一種基于誤差指數型函數的四旋翼飛行器非線性滑模位姿控制方法

有效

• 申請號: 201710558755.7
• 申請日: 2017-07-11
• 公開（公告）號: CN107368088B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 陳強;胡如海;陳凱杰
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 33241 杭州斯可睿專利事務所有限公司
• 代理人: 王利強<國際申請>=<國際公布>=<進入

一種基于誤差指數型函數的四旋翼飛行器非線性滑模位姿控制方法，針對含有動態執行機構的四旋翼無人機系統，利用非線性滑模控制方法，設計一種四旋翼無人機系統非線性滑模位姿控制方法。滑模面的設計是為了保證系統的快速穩定收斂。另外，采用非線性函數設計滑模面可以提高系統的魯棒性以及跟蹤精度。本發明提供一種基于誤差指數型函數的四旋翼飛行器非線性滑模位姿控制方法，實現系統的快速穩定控制。

技術領域

本發明涉及一種基于誤差指數型函數的四旋翼飛行器非線性滑模位姿控制方法，以滿足四旋翼無人機對參考輸入快速準確跟蹤的性能要求。

背景技術

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是通過遠程遙控或基于無人機自身傳感器實現自主飛行的飛行器。隨著其技術的不斷成熟,已被應用于民用、軍用的很多領域。無人機可以分為固定翼和旋翼兩種,固定翼無人機的優點是能量效率高，因此飛行距離和時間都較長，小型滑翔機在風速不大時也比較容易控制，但是它們被設計為無人形式時，操作性較差。相比而言，旋翼無人機則具有很強的可操作性，且機動性強，能夠很方便地完成起飛與降落等動作，對工作環境的要求也比較低。四旋翼無人機作為旋翼式無人機的一種,以其體積小、機動性能好、設計簡單、制造成本低廉等優點,吸引了國內外大學、研究機構、公司的廣泛關注。旋翼無人機非常適合用于監視、偵察等民用和軍用領域。在民用領域,旋翼無人機主要被應用于抗災救險、地面監測、高空航拍等；由于其隱蔽性髙,可靠性好,也被用于戰場監控、軍事偵察等軍用領域。在國外無人機研究也是一大熱點，其中美國航空航天局(NASA)已經研制出了十旋翼的無人駕駛飛機用于戰略探測及科學研究，還開發出了可使大型無人機與有人駕駛航空器一同在國家空域內安全飛行的技術；在國內無人機研究也受到高度重視，在“十三五”規劃的第五部分高端裝備，第18條內容中提到：推進干支線飛機、直升機、通用飛機和無人機產業化。因此對無人機的研究具有極高的戰略、科研及商業價值。

滑模控制在解決系統不確定性和外部擾動方面被認為是一個有效的魯棒控制方法。滑模控制方法具有算法簡單、響應速度快、對外界噪聲干擾和參數攝動魯棒性強等優點。因此，滑模控制方法被廣泛應用于各個領域。對比傳統線性滑模控制,非線性滑模控制的優越性在于他在滿足快速跟蹤的性能要求的同時兼具有更高的同步控制精度，系統的魯棒性也較高。所以利用非線性滑模來控制四旋翼無人機系統，具有重要的理論和實際意義。

發明內容

為了滿足四旋翼無人機對參考輸入快速跟蹤的性能要求，同時兼具更高的同步控制精度，使系統具有更高的魯棒性，本發明提供一種基于誤差指數型函數的四旋翼飛行器非線性滑模位姿控制方法，增強了系統的魯棒性能以及同步控制精度，且保證系統快速穩定收斂。

為了解決上述技術問題提出的技術方案如下：

一種基于誤差指數型函數的四旋翼飛行器非線性滑模位姿控制方法，包括以下步驟：

步驟1，建立四旋翼無人機系統的動態模型，初始化系統狀態、采樣時間以及控制參數，過程如下：

1.1四旋翼無人機系統的動力學模型表達形式為：

其中，x、y、z分別表示無人機在慣性坐標系下三個坐標軸的位置，m表示無人機的質量，F表示作用在無人機上的合外力，包括無人機所受重力mg和四個旋翼產生的合力U_F，T是從機體坐標系到慣性坐標系的轉移矩陣，表達形式為：

T＝[T₁ T₂ T₃] (2)

1.2無人機轉動過程中的力矩平衡方程為：