[發明專利]四旋翼飛行器有界輸出控制

在審

• 申請號: 201910029808.5
• 申請日: 2019-01-11
• 公開（公告）號: CN111435253A
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發明（設計）人: 李康利;師五喜;陳奕梅;李寶全
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種四旋翼飛行器有界輸出控制方法。本發明針對四旋翼飛行器實際起飛時輸出值超調過大問題，設計了一種基于障礙Lyapunov函數(barrier Lyapunov function，BLF)的有界輸出控制方法，該方法不僅能使四旋翼飛行器的實際輸出值跟蹤上期望輸出值，還能夠使實際輸出值始終保持在預先設定的安全范圍內。該方法采用BLF與滑模控制相結合設計控制器，利用BLF將傳統滑模面約束在一定的范圍內，從而保證四旋翼飛行器輸出值保持在一定的范圍內，最后證明了該控制系統是穩定的，同時能保證實際輸出值有界。

技術領域

本發明屬于四旋翼無人飛行器的技術領域，特別是涉及一種四旋翼無人飛行器的輸出有界控制方法。

背景技術

近些年來，四旋翼飛行器由于其結構簡單且具有垂直起降、定點懸停、側飛、倒飛等高機動性的特點而被廣泛關注，其中控制器的設計是一個研究熱點，各國學者都在設計不同的控制器對四旋翼無人機的位置、姿態進行控制。目前對四旋翼飛行器的控制方法主要有PID控制、反步法控制、動態面控制、滑?？刂?、自抗擾控制等。雖然這些方法有效地實現了四旋翼飛行器的穩定控制，但鮮有考慮其有界輸出問題，對四旋翼飛行器來說，其位置、姿態的有界輸出控制有助于改善其動態性能，且能夠有效保證四旋翼飛行器和操作人員的安全。

目前實現有界輸出控制的方法主要有：基于不變集和允許集的控制、模型預測控制、參考設定法。然而，以上方法要么依賴于數值計算要么所提出的算法相當復雜，很難應用到實際系統中。一些學者應用障礙Lyapunov函數(barrier Lyapunov function，BLF)方法實現了有界輸出控制，針對一類嚴格反饋非線性系統，將BLF和反步控制方法相結合來設計控制器來保證輸出有界。針對一類含有Bouc-Wen遲滯模型的輸出受限非線性系統，將BLF和反步控制方法相結合來設計控制器，解決了系統輸出有界問題。針對海洋表面船只系統的輸出受限問題，利用BLF結合反步法設計控制律，并用神經網絡來逼近未知模型參數和干擾項。但是基于BLF函數的非線性系統反步控制中，存在控制器結構復雜、約束量初值選取區間小等問題，針對以上問題一些學者提出了一種基于非線性映射的自適應反步控制方案，增加了系統初值選取，降低了控制器設計的復雜性。一些學者提出采用切換控制方法，通過滑?？刂茖⑾到y約束量控制到BLF的收斂域之內，然后采用BLF和反步法設計控制器，實現輸出有界控制。針對一類具有未建模動態的非線性系統，有學者提出一種基于BLF和自適應動態面的控制方案，采用動態面的控制方法相較于反步法，降低了控制器設計的復雜性，但是反步法和動態面控制方法需要對控制對象進行精確建模，抗干擾能力較差。

因此，本發明提供了一種新穎的四旋翼飛行器控制方法，針對四旋翼飛行器實際起飛時姿態超調過大問題，設計了一種四旋翼飛行器有界輸出控制，該方法不僅能保證四旋翼飛行器姿態角能快速跟蹤上期望值，還能使姿態角始終保持在一定的安全范圍內，從而實現四旋翼飛行器的安全穩定控制。

發明內容

本發明的目的是解決現有四旋翼飛行器穩定控制存在的不足，提供了一種四旋翼飛行器有界輸出控制方法。

本發明提出了一種新穎的四旋翼飛行器的穩定控制方法。該方法最大的特點是不僅能保證四旋翼飛行器系統輸出能快速跟蹤上期望值，還能使系統輸出值始終保持在一定的安全范圍內，從而實現四旋翼飛行器的安全穩定控制。該控制方法利用障礙Lyapunov函數將傳統滑模面約束在一定的范圍內，從而使系統輸出能夠始終保持在一定的安全范圍內，仿真結果證明本方法有效可靠。

本發明主要做出了以下幾方面貢獻：1.與普通穩定控制方法相比，本發明所提控制所發不僅能保證四旋翼飛行器系統輸出能快速跟蹤上期望值，還能使系統輸出始終保持在一定的安全范圍內；2.與上述解決方案相比，本發明采用BLF與滑?？刂品桨赶嘟Y合設計控制器，具有更強的魯棒性和更簡單的控制器結構；3.大多數文獻只進行了數值仿真，本發明進行了實驗驗證。

本發明提供的四旋翼飛行器有界輸出控制方法包括：