[發明專利]一種基于積分滑模障礙李雅普諾夫函數的四旋翼飛行器輸出受限反步控制方法

有效

• 申請號: 201711274077.8
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN108037662B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 陳強;胡忠君;李元華
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種基于積分滑模障礙李雅普諾夫函數的四旋翼飛行器輸出受限反步控制方法，針對四旋翼飛行器的動力學系統，選擇一種積分滑模障礙李雅普諾夫函數，設計一種基于積分滑模障礙李雅普諾夫函數的四旋翼飛行器輸出受限反步控制方法。積分滑模障礙李雅普諾夫函數的設計是為了保證系統的輸出能夠限制在一定的范圍內，避免過大的超調，同時還能減少到達時間。從而改善四旋翼飛行器系統的動態響應性能。本發明提供一種基于積分滑模障礙李雅普諾夫函數的四旋翼飛行器輸出受限反步控制方法，使系統具有較好的動態響應過程。

技術領域

本發明涉及一種基于積分滑模障礙李雅普諾夫函數的四旋翼飛行器輸出受限反步控制方法，使四旋翼飛行器系統有較好的動態響應過程。

背景技術

四旋翼飛行器作為旋翼式飛行器的一種,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。然而，由于四旋翼飛行器體積小且重量輕，飛行中易受到外部干擾，如何實現對四旋翼飛行器的高性能運動控制已經成為一個熱點問題。針對四旋翼飛行器的控制問題，存在很多控制方法，例如PID控制、自抗擾控制、滑模控制、反步控制等。

其中反步控制已經廣泛應用于非線性系統，其優點包括響應速度快、實施方便、對系統不確定和外部干擾的魯棒性等。傳統的反步控制，只是考慮了四旋翼飛行器的穩態性能，并沒有過多地關注其瞬態響應性能。因此，傳統的反步控制方法使得四旋翼飛行器系統在實際情況中的應用有很大阻礙。為解決這一問題，基于障礙李雅普諾夫函數的反步控制方法被提出，這種方法在實際情況中能夠有效地改善四旋翼飛行器系統的瞬態性能。

發明內容

為了改善四旋翼飛行器系統瞬態性能，本發明提供了一種基于積分滑模障礙李雅普諾夫函數的四旋翼飛行器輸出受限步控制方法，減少了超調量和超調時間，使四旋翼飛行器系統具有一個良好的動態響應性能。

為了解決上述技術問題提出的技術方案如下：

一種基于積分滑模障礙李雅普諾夫函數的四旋翼飛行器輸出受限反步控制方法，包括以下步驟：

步驟1，建立四旋翼飛行器系統的動態模型，設定系統的初始值、采樣時間以及相關控制參數，過程如下：

1.1確定從基于四旋翼飛行器系統的機體坐標系到基于地球的慣性坐標的轉移矩陣T：

其中φ,θ,ψ分別是四旋翼飛行器的翻滾角、俯仰角、偏航角，表示無人機依次繞慣性坐標系的各坐標軸旋轉的角度；

1.2四旋翼飛行器平動過程中的動態模型如下：

其中x,y,z分別表示四旋翼飛行器在慣性坐標系下的三個位置，U_f表示四旋翼飛行器的輸入力矩，m為四旋翼飛行器的質量，g表示重力加速度，

將式(1)代入式(2)得：

1.3四旋翼飛行器轉動過程中的動態模型為：

其中τ_x,τ_y,τ_z分別代表機體坐標系上各個軸的力矩分量，I_xx,I_yy,I_zz分別表示機體坐標系下的各個軸的轉動慣量的分量，×表示叉乘，ω_p表示翻滾角速度，ω_q表示俯仰角速度，ω_r表示偏航角速度，表示翻滾角加速度，表示俯仰角加速度，表示偏航角加速度；

考慮到無人機處于低速飛行或者懸停狀態，姿態角變化較小，認為因此式(4)改寫為：