[發(fā)明專利]基于四元數(shù)的四旋翼飛行器魯棒姿態(tài)控制方法、裝置及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711456318.0
• 申請(qǐng)日: 2017-12-27
• 公開（公告）號(hào): CN108132604A
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉昊;彭發(fā)醇;蔡國飆;劉德元;趙萬兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;G05D1/08
• 代理公司: 北京超凡志成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11371
• 代理人: 徐彥圣

1.一種基于四元數(shù)的四旋翼飛行器魯棒姿態(tài)控制方法，其特征在于，包括：

根據(jù)姿態(tài)信息和四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型建立誤差模型；

構(gòu)建標(biāo)稱控制器，根據(jù)所述標(biāo)稱控制器對(duì)所述誤差模型進(jìn)行跟蹤，獲取標(biāo)稱閉環(huán)控制系統(tǒng)；

構(gòu)建魯棒補(bǔ)償器，根據(jù)所述魯棒補(bǔ)償器對(duì)所述誤差模型進(jìn)行不確定性的抑制，獲取魯棒姿態(tài)控制信息。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿態(tài)信息包括角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、外部轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)矩陣，所述根據(jù)姿態(tài)信息和四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型建立誤差模型，包括：

所述動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)下式獲得：

其中，ω_b(t)為在飛行器本體坐標(biāo)系中的所述角速度，J為機(jī)體的所述轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，τ_b(t)為作用在本體坐標(biāo)系上的所述外部轉(zhuǎn)矩，R(t)為所述旋轉(zhuǎn)矩陣。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)姿態(tài)信息和四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型建立誤差模型，還包括：

所述誤差模型根據(jù)下式獲得：

其中，e(t)為跟蹤誤差，A和B均為常數(shù)矩陣，u(t)為控制輸入，Δ(t)為輸入等效干擾。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)建標(biāo)稱控制器，根據(jù)所述標(biāo)稱控制器對(duì)所述誤差模型進(jìn)行跟蹤，獲取標(biāo)稱閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括：

所述標(biāo)稱控制器根據(jù)下式獲得：

u^N(t)＝-Ke(t)＝-[K_q K_ω]e(t)

其中，u^N(t)為所述標(biāo)稱控制器的標(biāo)稱控制輸入，K為線性增益矩陣，K_q、K_ω均為標(biāo)稱控制器參數(shù)，e(t)為所述誤差模型中的跟蹤誤差。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述構(gòu)建魯棒補(bǔ)償器，根據(jù)所述魯棒補(bǔ)償器對(duì)所述誤差模型進(jìn)行不確定性的抑制，獲取魯棒姿態(tài)控制信息，包括：

所述所述魯棒補(bǔ)償器根據(jù)下式獲得：

u^R(s)＝-F(s)Δ(s)，

其中，u^R(s)為拉普拉斯變換后所述魯棒補(bǔ)償器的魯棒補(bǔ)償輸入，F(xiàn)(s)為所述魯棒補(bǔ)償器的增益，Δ(s)為拉普拉斯變換后所述誤差模型中的輸入等效干擾。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：

按照預(yù)設(shè)時(shí)間采集四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的所述姿態(tài)信息。

7.一種四旋翼飛行器魯棒姿態(tài)控制裝置，其特征在于，包括飛行控制計(jì)算機(jī)；

所述飛行控制計(jì)算機(jī)通過板載數(shù)字信號(hào)處理DSP實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1～6所述的基于四元數(shù)的四旋翼飛行器魯棒姿態(tài)控制方法。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括慣性測(cè)量系統(tǒng)；

所述慣性測(cè)量系統(tǒng)，用于按照預(yù)設(shè)時(shí)間采集四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)信息，并將所述姿態(tài)信息傳輸至所述飛行控制計(jì)算機(jī)。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述慣性測(cè)量系統(tǒng)包括分別與所述飛行控制計(jì)算機(jī)相連的陀螺儀、數(shù)字磁力儀和數(shù)字加速度計(jì)。

10.一種基于四元數(shù)的四旋翼飛行器魯棒姿態(tài)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

誤差模型建立單元，用于根據(jù)姿態(tài)信息和四旋翼飛行器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型建立誤差模型；

第一構(gòu)建單元，用于構(gòu)建標(biāo)稱控制器，根據(jù)所述標(biāo)稱控制器對(duì)所述誤差模型進(jìn)行跟蹤，獲取標(biāo)稱閉環(huán)控制系統(tǒng)；

第二構(gòu)建單元，用于構(gòu)建魯棒補(bǔ)償器，根據(jù)所述魯棒補(bǔ)償器對(duì)所述誤差模型進(jìn)行不確定性的抑制，獲取魯棒姿態(tài)控制信息。