[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

一種考慮電機電壓的四旋翼飛行器姿態控制方法，針對要求采用電機電壓控制實現對參考指令快速跟蹤以及兼具強魯棒性的四旋翼系統，利用快速終端滑模函數，設計一種考慮電機電壓的四旋翼飛行器姿態控制方法。快速終端滑模面的設計是為了實現系統的有限時間收斂，在遠離或接近平衡點時都可以保持較快的收斂速度。同時，考慮電機電壓作為控制量有重要的實際意義。本發明提供一種在電機電壓控制下，具有強魯棒性，能夠快速收斂的控制方法，實現系統的穩定控制。

技術領域

本發明涉及一種考慮電機電壓的四旋翼飛行器系統姿態控制方法，特別是要求采用電機電壓控制實現對參考指令快速跟蹤以及兼具強魯棒性的四旋翼飛行器姿態控制方法。

背景技術

四旋翼飛行器依靠四個螺旋槳的旋轉實現姿態的變換，由于其簡單的結構、靈活的機動性，在商業娛樂、工業監測以及軍事偵查等諸多領域得到廣泛運用，但空氣阻力以及內部建模不確定性等諸多因素使得四旋翼飛行器的姿態控制具有一定的難度。如何實現四旋翼飛行器姿態控制的穩定性、快速性是當前學術界研究的熱點領域。應用于四旋翼飛行器姿態控制問題的控制方法主要有LQR控制、PID控制、反步控制以及滑模控制等。

滑模控制最根本的特點在于控制的非連續性，此特性使得被控系統進入特定區域，即設計的滑模面之后，會沿著既定的軌跡做滑模運動。當被控系統的狀態正處于滑模運動時，便不再受外部小擾動或者模型參數不確定等因素的影響，即系統在滑模控制下具有良好的魯棒性。

然而，在實際運用中，由于時間及空間開關等存在一定滯后以及計算機采樣等因素的影響，系統處于滑模運動時具有抖振。因此，滑模切換面的選取決定了被控系統在滑動階段的動態品質。快速終端滑模在終端滑模面的基礎上，修正非線性項，當被控系統遠離平衡點時主要以傳統線性滑模的速度收斂，當被控系統接近平衡點時主要以終端滑模的速度收斂，使得被控系統始終能保持理想的收斂速度。因此，快速終端滑模不僅保留了滑模控制方法不受外部干擾的強魯棒性，還在實現有限時間快速收斂的前提下減小了抖振現象。

同時，現有的四旋翼飛行器控制方法主要基于轉矩形式，而實際工程應用的控制輸入量是以電機電壓的形式。因此，如何通過控制電機電壓來達到控制四旋翼飛行器姿態有重要的實際意義。基于上述原因，如何設計考慮電機電壓的四旋翼飛行器姿態控制方法具有良好的應用前景。

發明內容

為了實現對參考指令的快速跟蹤以及控制性能的強魯棒性，本發明提供一種考慮電機電壓的四旋翼飛行器姿態控制方法，減小抖振現象，提高系統收斂速度，保證系統強魯棒性。

為了解決上述技術問題提出的技術方案如下：

一種考慮電機電壓的四旋翼飛行器姿態控制方法，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：

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