[發明專利]基于PD-SMC和RISE的無模型四旋翼無人機軌跡跟蹤控制器及方法

在審

• 申請號: 201810145644.8
• 申請日: 2018-02-12
• 公開（公告）號: CN108594837A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 馬昕;李輊;榮學文;宋銳;田國會;田新誠;李貽斌
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 董雪

本發明公開了基于PD?SMC和RISE的無模型四旋翼無人機軌跡跟蹤控制器及方法，設計了基于PD?SMC算法的位置控制器，該控制器結合了PD控制器易于設計以及SMC控制器強魯棒性的特點，并且無需精確的外環模型。第二，設計了基于RISE算法的姿態控制器，利用RISE算法的連續控制信號大大減小了系統的抖振。本發明有益效果：李雅普諾夫穩定性定理分別證明了內環和外環子系統的穩定性。仿真實驗結果證明了本文所提控制器的有效性。

技術領域

本發明涉及四旋翼無人機軌跡跟蹤控制技術領域，尤其涉及一種基于PD-SMC和RISE的無模型四旋翼無人機軌跡跟蹤控制器及方法。

背景技術

四旋翼無人機是旋翼無人機的一種，可以在有限的空間內實現垂直起降，懸停等。與傳統的旋翼直升機相比，四旋翼無人機具有造價低，機械機構簡單，機動性強等優點。近年來，四旋翼無人機以其在軍用和民用的巨大應用潛力得到了越來越多科研機構和企業的關注。

然而，四旋翼無人機的控制并不是一項簡單的工作。首先，四旋翼無人機的運動是通過改變四個螺旋槳的轉速來實現，因此要求控制器有較高的響應速度。第二，四旋翼無人機具有非線性、欠驅動性、狀態量強耦合性等特點。第三，對于常見的小型四旋翼無人機來說，其轉動慣量、氣動力學參數等無法精確測量。更重要的是，由于常見的四旋翼無人機質量和尺寸都較小，因此極容易受擾動以及模型不確定性的干擾。

針對上述問題，科研人員已經研發了多種控制方法。因為四旋翼模型可以進行線性化，所以一些線性控制方法可以用來對四旋翼無人機進行控制。其中，比例微分(PD)控制器以其易于設計、對模型信息沒有要求等優點得到了廣泛的應用。

現有技術中，Eduardo在串級PD控制器基礎上加入了前饋控制，解決了機器人的軌跡跟蹤控制問題，并且證明了前饋控制的加入可以保證誤差系統一致全局漸近穩定。

現有技術中，He zefang將四旋翼姿態控制器分解為非線性部分以及線性部分。對于非線性部分利用反饋線性化將非線性系統轉化為線性系統，而后設計PD控制器對轉化后的系統進行控制并通過Ziegler-Nichols規則對PD控制器參數進行調整。

現有技術中，考慮到PD控制器的最優控制問題，Bencharef利用蝙蝠算法對PD控制器進行改進，解決了四旋翼無人機姿態和高度的穩定控制問題。考慮到四旋翼無人機存在模型不確定的問題，Wang采用了兩個具有PD分量的非線性前饋補償器來消除已知部分并得到兩個Hurwitz線性子系統。此后應用L₁自適應控制器來補償模型不確定性和擾動。此外，PID控制器在四旋翼無人機控制方面也有廣泛的應用。現有技術研究了在PID控制器下，瞬時負載變化對無人機的影響。并且，采用模糊邏輯對PID控制器參數K_P、K_I和K_D進行在線調整來提高PID控制器的魯棒性。

由于四旋翼無人機存在模型不確定性、強非線性、易受擾動等特點，研究人員提出了一系列非線性魯棒控制器。滑模控制(SMC)或變結構控制器是非線性魯棒控制器的一種，適合于某些非線性不確定性系統。滑模控制在四旋翼軌跡跟蹤控制方面有著廣泛的應用。但是，滑模控制在應用方面存在兩個問題，一是抖振問題，二是計算SMC控制器等價部分時需要知道精確模型。對于第一個問題，現有技術給出了兩個減小抖振的方法：一種是將控制分解為連續控制和切換控制，減小切換部分幅度；第二種是用一個飽和函數代替符號函數或采用積分滑模控制器來減小抖振。對于第二個問題，現有技術的解決方案是：一是引入了自適應控制律來對未知的模型參數進行在線估計；二是將四旋翼無人機視為輸入和狀態有界(BIBS)，通過對系統輸入輸出的計算來估計未知動態。

通過上述分析，可以得到，解決魯棒滑模控制器等效部分的方法主要是利用不同的估計方法對未知動態進行估計，但是這樣會使控制器變得復雜。因此，設計一個控制器既有像PD控制器一樣簡單的結構又有類似SMC控制器的強魯棒性是本發明研究的主要動機。