[發明專利]一種考慮電機電壓的四旋翼飛行器姿態控制方法

有效

• 申請號: 201810992316.1
• 申請日: 2018-08-29
• 公開（公告）號: CN109032163B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 陳強;陳聰;陶玫玲;胡軼
• 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: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種考慮電機電壓的四旋翼飛行器姿態控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟：

步驟1，建立基于電機電壓的四旋翼飛行器姿態模型，初始化四旋翼姿態信息、采樣時間以及控制參數的過程如下：

1.1在不考慮外部干擾的情況下，電機電壓作為控制輸入，給出基于電機電壓的四旋翼飛行器系統姿態模型：

其中，分別表示偏航角加速度、俯仰角加速度、翻滾角加速度；J_y、J_p、J_r分別代表偏航軸轉動慣量、俯仰軸轉動慣量以及翻滾軸轉動慣量，K_t是推力轉矩常數，K_f是推力常數，L是螺旋槳電機和樞軸的距離，u₁、u₂和u₃分別表示四旋翼飛行器偏航角、俯仰角以及翻滾角的控制量；

步驟2，計算四旋翼控制系統姿態跟蹤誤差，設計快速終端滑模面函數，過程如下：

2.1定義系統姿態跟蹤誤差列向量e為

e＝x_d-x (2)

其中，e＝[e_y e_p e_r]^T，e_y表示偏航角跟蹤誤差，e_p表示俯仰角跟蹤誤差，e_r表示翻滾角跟蹤誤差；x_d＝[ψ_d θ_d φ_d]^T，ψ_d表示偏航角期望值，θ_d表示俯仰角期望值，φ_d表示翻滾角期望值；x＝[ψ θ φ]^T，ψ表示偏航角實際值，θ表示俯仰角實際值，φ表示翻滾角實際值；式(2)的一階導數和二階導數分別為

2.2設計快速終端滑模函數

其中，σ_y、σ_p、σ_r、τ_y、τ_p和τ_r為正常數，a＞b＞1；s_y表示用于偏航角姿態控制的滑模函數，表示偏航角跟蹤誤差的一階微分；s_p表示用于俯仰角姿態控制的滑模函數，表示俯仰角跟蹤誤差的一階微分；s_r表示用于翻滾角姿態控制的滑模函數，表示翻滾角跟蹤誤差的一階微分；sig^a(e_y)、sig^a(e_p)、sig^a(e_r)滿足下列表達式

|e_y|、|e_p|、|e_r|分別表示偏航角跟蹤誤差絕對值、俯仰角跟蹤誤差絕對值以及翻滾角跟蹤誤差絕對值；sgn(e_y)、sgn(e_p)、sgn(e_r)表達形式為

步驟3，基于電機電壓的四旋翼飛行器姿態模型，根據快速終端滑模函數，設計快速終端滑?？刂破鳎^程如下：

3.1設計指數趨近律

其中k_y1＞0，k_y2＞0，k_p1＞0，k_p2＞0，k_r1＞0，k_r2＞0以保證s_y、s_p、s_r都以指數形式快速收斂到滑模面；

3.2對式(5)進行求導得

3.3聯立式(11)和式(10)得到

3.4將式(4)展開得

其中，分別表示偏航角、俯仰角以及翻滾角期望值的二階微分；

3.5將式(13)代入式(12)，得到

3.6由式(1)和式(14)得到控制器為

3.7根據控制器得到四旋翼飛行器電機電壓表達式如下

其中，V_f、V_b、V_r、V_l分別表示四旋翼飛行器前、后、右、左電機電壓幅值；同時默認偏航角度增量為正時，順時針旋轉的左、右螺旋槳的電機電壓之和大于逆時針旋轉的前、后螺旋槳的電機電壓之和；俯仰角度增量為正時，前電機電壓大于后電機電壓；翻滾角度增量為正時，右電機電壓大于左電機電壓；

3.8設計李雅普諾夫函數

對式(19)進行求導得

將式(10)代入式(20)中得到

由于V≥0，且則判定系統是穩定的。