[發(fā)明專利]基于PD-SMC和RISE的無(wú)模型四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制器及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810145644.8
• 申請(qǐng)日: 2018-02-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108594837A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬昕;李輊;榮學(xué)文;宋銳;田國(guó)會(huì);田新誠(chéng);李貽斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 董雪

1.一種基于PD-SMC和RISE的無(wú)模型四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制器，其特征在于，包括：外環(huán)位置控制器和內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制器；

所述外環(huán)控制器基于PD-SMC算法，具體為：

其中，位置跟蹤誤差：K_ξ＝diag(K_x,K_y,K_z)；K_p,K_d均為PD控制器增益矩陣，H為SMC控制器增益，μ為滑模面斜率常數(shù)矩陣；

m為四旋翼質(zhì)量，K_x、K_y、K_z均氣動(dòng)阻尼系數(shù)，G為重力加速度向量，d為外環(huán)擾動(dòng)，E為位置跟蹤誤差，和分別為位置跟蹤誤差的一階和二階導(dǎo)數(shù)；ξ_d為期望位置，分別為期望速度和期望加速度；ξ、分別為四旋翼無(wú)人機(jī)的位置、速度以及加速度；

所述內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制器基于RISE控制方法，具體為：

其中，K_s、β為正定參數(shù)矩陣，I_3×3為三階單位矩陣；N_d為輔助函數(shù)；e₂、r為濾波誤差函數(shù)，為濾波誤差的一階導(dǎo)數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于PD-SMC和RISE的無(wú)模型四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制器，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用微分跟蹤器進(jìn)行期望角速度的計(jì)算。

3.一種基于PD-SMC和RISE的無(wú)模型四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)確定四旋翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)模型；

(2)假設(shè)作用于四旋翼無(wú)人機(jī)上的時(shí)變擾動(dòng)均為有界的，給出期望軌跡ξ_d(t)，在存在擾動(dòng)和模型不確定的情況下，基于PD-SMC控制算法，設(shè)計(jì)虛擬控制輸入u，保證位置跟蹤誤差漸近收斂于零；

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)的虛擬控制輸入u，確定外環(huán)控制器；

(4)基于RISE算法，設(shè)計(jì)連續(xù)控制輸入τ_i(i＝1,2,3)，使得姿態(tài)控制系統(tǒng)為局部指數(shù)穩(wěn)定；

(5)根據(jù)設(shè)計(jì)的連續(xù)控制輸入τ_i(i＝1,2,3)，確定內(nèi)環(huán)控制器。

4.如權(quán)利要求3所述的一種基于PD-SMC和RISE的無(wú)模型四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(2)中，設(shè)計(jì)虛擬控制輸入u具體為：

其中，F(xiàn)＝[R_1,3u,R_2,3u,R_3,3u]^T；K_p,K_d均為PD控制器增益矩陣，H為SMC控制器增益，μ為滑模面斜率常數(shù)矩陣；E為位置跟蹤誤差，為位置跟蹤誤差的一階導(dǎo)數(shù)，R_1,3，R_2,3，R_3,3分別是旋轉(zhuǎn)矩陣R的第三列元素。

5.如權(quán)利要求3所述的一種基于PD-SMC和RISE的無(wú)模型四旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤控制器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(3)中，外環(huán)控制器具體為：

其中，位置跟蹤誤差：K_ξ＝diag(K_x,K_y,K_z)；K_p,K_d均為PD控制器增益矩陣，H為SMC控制器增益，μ為滑模面斜率常數(shù)矩陣；

m為四旋翼質(zhì)量，K_x、K_y、K_z均氣動(dòng)阻尼系數(shù)，G為重力加速度向量，d為外環(huán)擾動(dòng)，E為位置跟蹤誤差，和分別為位置跟蹤誤差的一階和二階導(dǎo)數(shù)；ξ_d為期望位置，分別為期望速度和期望加速度；ξ、分別為四旋翼無(wú)人機(jī)的位置、速度以及加速度。