[發(fā)明專利]四旋翼飛行器有界輸出控制

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910029808.5
• 申請日: 2019-01-11
• 公開（公告）號: CN111435253A
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李康利;師五喜;陳奕梅;李寶全
• 申請（專利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 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(fā)明針對四旋翼飛行器實際起飛時輸出值超調(diào)過大問題，設(shè)計了一種基于障礙Lyapunov函數(shù)(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(yù)先設(shè)定的安全范圍內(nèi)。該方法采用BLF與滑?？刂葡嘟Y(jié)合設(shè)計控制器，利用BLF將傳統(tǒng)滑模面約束在一定的范圍內(nèi)，從而保證四旋翼飛行器輸出值保持在一定的范圍內(nèi)，最后證明了該控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，同時能保證實際輸出值有界。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于四旋翼無人飛行器的技術(shù)領(lǐng)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(shù)

近些年來，四旋翼飛行器由于其結(jié)構(gòu)簡單且具有垂直起降、定點懸停、側(cè)飛、倒飛等高機動性的特點而被廣泛關(guān)注，其中控制器的設(shè)計是一個研究熱點，各國學(xué)者都在設(shè)計不同的控制器對四旋翼無人機的位置、姿態(tài)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(tài)面控制、滑?？刂啤⒆钥箶_控制等。雖然這些方法有效地實現(xiàn)了四旋翼飛行器的穩(wěn)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(tài)的有界輸出控制有助于改善其動態(tài)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(xiàn)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(yù)測控制、參考設(shè)定法。然而，以上方法要么依賴于數(shù)值計算要么所提出的算法相當(dāng)復(fù)雜，很難應(yīng)用到實際系統(tǒng)中。一些學(xué)者應(yīng)用障礙Lyapunov函數(shù)(barrier Lyapunov function，BLF)方法實現(xiàn)了有界輸出控制，針對一類嚴格反饋非線性系統(tǒng)，將BLF和反步控制方法相結(jié)合來設(shè)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(tǒng)，將BLF和反步控制方法相結(jié)合來設(shè)計控制器，解決了系統(tǒng)輸出有界問題。針對海洋表面船只系統(tǒng)的輸出受限問題，利用BLF結(jié)合反步法設(shè)計控制律，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近未知模型參數(shù)和干擾項。但是基于BLF函數(shù)的非線性系統(tǒng)反步控制中，存在控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、約束量初值選取區(qū)間小等問題，針對以上問題一些學(xué)者提出了一種基于非線性映射的自適應(yīng)反步控制方案，增加了系統(tǒng)初值選取，降低了控制器設(shè)計的復(fù)雜性。一些學(xué)者提出采用切換控制方法，通過滑?？刂茖⑾到y(tǒng)約束量控制到BLF的收斂域之內(nèi)，然后采用BLF和反步法設(shè)計控制器，實現(xiàn)輸出有界控制。針對一類具有未建模動態(tài)的非線性系統(tǒng)，有學(xué)者提出一種基于BLF和自適應(yīng)動態(tài)面的控制方案，采用動態(tài)面的控制方法相較于反步法，降低了控制器設(shè)計的復(fù)雜性，但是反步法和動態(tài)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(fā)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(tài)超調(diào)過大問題，設(shè)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(tài)角能快速跟蹤上期望值，還能使姿態(tài)角始終保持在一定的安全范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)四旋翼飛行器的安全穩(wěn)定控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有四旋翼飛行器穩(wěn)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(fā)明提出了一種新穎的四旋翼飛行器的穩(wěn)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(tǒng)輸出能快速跟蹤上期望值，還能使系統(tǒng)輸出值始終保持在一定的安全范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)四旋翼飛行器的安全穩(wěn)定控制。該控制方法利用障礙Lyapunov函數(shù)將傳統(tǒng)滑模面約束在一定的范圍內(nèi)，從而使系統(tǒng)輸出能夠始終保持在一定的安全范圍內(nèi)，仿真結(jié)果證明本方法有效可靠。

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

本發(fā)明提供的四旋翼飛行器有界輸出控制方法包括：