[發(fā)明專利]一種適用于四旋翼飛行器的滑模重復(fù)控制器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811450793.1
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN111258216B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周文委;孫明軒;翁國慶;張有兵;陳強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/10
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

一種適用于四旋翼飛行器的滑模重復(fù)控制器，首先對常用的指數(shù)趨近律進(jìn)行改進(jìn)，利用高次函數(shù)和對數(shù)函數(shù)設(shè)計一種新型的改進(jìn)趨近律，然后對四旋翼飛行器的動力學(xué)模型進(jìn)行離散化以適合數(shù)字控制器的設(shè)計，再通過虛擬控制量解耦位置坐標(biāo)和姿態(tài)角，并針對位置子系統(tǒng)和姿態(tài)子系統(tǒng)分別設(shè)計離散滑模重復(fù)控制器，以克服周期性干擾，實現(xiàn)飛行器對于給定軌跡的跟蹤控制。本發(fā)明便于控制算法在數(shù)字芯片上的實現(xiàn)，使得飛行器控制系統(tǒng)具有魯棒性的同時，具有良好的重復(fù)性軌跡運行性能，解決了趨近律穩(wěn)態(tài)抖振問題，實現(xiàn)四旋翼飛行器的解耦控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及重復(fù)控制技術(shù)，尤其適用于四旋翼飛行器對周期性位置指令的跟蹤控制。

背景技術(shù)

四旋翼飛行器是一種四個螺旋動力機(jī)構(gòu)以十字交叉、同一平面固定排列的飛行裝置。其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、操控靈活、體積小、成本低，易于實現(xiàn)無人駕駛、定點懸停或者垂直起降等功能，近年來在民用和軍事等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

四旋翼飛行器通過四個電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，通過對角電機(jī)之間的轉(zhuǎn)差形成偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)力矩。升力和三種力矩共同作用實現(xiàn)飛行器地理位置和飛行姿態(tài)的控制。因此，四旋翼飛行器具有四個輸出，六個輸出，是一種典型的欠驅(qū)動、非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)。這使得飛行器控制器的設(shè)計相對比較困難。Gonzalez-vazquez S等人利用傳統(tǒng)的PID控制方法實現(xiàn)了四旋翼飛行器的位置和姿態(tài)控制，但是很難同時縮短瞬態(tài)響應(yīng)時間和降低超調(diào)量，且多輸入多輸出系統(tǒng)的控制器多參數(shù)整定依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗，難以推廣應(yīng)用(Gonzalez-vazquez S,Moreno-valenzuela J.A new nonlinear PI/PID controllerfor quadrotor posture regulation.Electronics,Robotics and AutomotiveMechanics Conference(CER-MA).Morelos,Mexico:IEEE,2010:642–647.)。近年來，一些復(fù)雜控制策略被用于四旋翼飛行器的控制以求取得更好的效果。Tao Jiang等人設(shè)計了有限時間收斂的反步控制方法并提供輸入去飽和措施用于四旋翼飛行器的跟蹤控制，但是存在系統(tǒng)魯棒性不足的問題，需要引入誤差積分項進(jìn)行補(bǔ)償(Tao Jiang,Defu Lin,TaoSong.Finite-time backstepping control for quadrotors withdisturbances andinput constraints.IEEE Access,2018,6:62037-62049.)。Fuyang Chen等人結(jié)合滑模控制方法與反步控制方法設(shè)計了四旋翼飛行器控制器。先通過滑模控制快速調(diào)速姿態(tài)角，然后采用反步控制方法進(jìn)行位置環(huán)控制，實現(xiàn)了笛卡爾坐標(biāo)下的軌跡跟蹤控制(FuyangChen,Rongqiang Jiang,Kangkang Zhang,Bin Jiang.Robust Backstepping Sliding-Mode Control and Observer-Based Fault Estimation for a Quadrotor UAV.IEEETransactions on Industrial Electronics,2016,63(8):5044-5056)。

四旋翼飛行器在執(zhí)行諸如航拍、農(nóng)藥噴灑等任務(wù)時，常常具有在固定區(qū)間內(nèi)重復(fù)操作、周期性運行的特性，同時需要克服不同氣象條件的干擾。這種周期性飛行軌跡往往造成飛行器運行過程中具有相同周期的外部干擾。上述工作通過建立四旋翼飛行器的連續(xù)數(shù)學(xué)模型，主要考慮欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制量解耦問題、控制算法的收斂速度和實際驅(qū)動器的輸入飽和等問題，沒有將飛行器重復(fù)執(zhí)行任務(wù)過程中的周期運行特性運用到控制器設(shè)計中。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高四旋翼飛行器在執(zhí)行重復(fù)性軌跡跟蹤任務(wù)時的控制精度，本發(fā)明提供一種適用于四旋翼飛行器的滑模重復(fù)控制器，便于控制算法在數(shù)字芯片上的實現(xiàn)，使得飛行器控制系統(tǒng)具有魯棒性的同時，具有良好的重復(fù)性軌跡運行性能，解決了趨近律穩(wěn)態(tài)抖振問題，實現(xiàn)四旋翼飛行器的解耦控制。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：