[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于連續(xù)終端滑模的四旋翼軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910602826.8
• 申請(qǐng)日: 2019-07-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110456816B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李一兵;酒銘楊;孫騫;田園;葉方;張羽;張慧;吳靜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/10
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/10
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• 代理人: 暫無(wú)信息

一種基于連續(xù)終端滑模的四旋翼軌跡跟蹤控制方法，屬于多旋翼直升機(jī)的自主飛行控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對(duì)四旋翼變量的耦合問(wèn)題以及系統(tǒng)控制信號(hào)不連續(xù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于連續(xù)非奇異終端滑模算法的四旋翼軌跡跟蹤控制方法。該方法采用內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)和外環(huán)控制位置的控制方式，通過(guò)對(duì)CNTSMA的滑模切換面進(jìn)行補(bǔ)償和滑模參數(shù)自適應(yīng)處理操作，有效解決了四旋翼系統(tǒng)飛行控制中的非線性、欠驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)耦合問(wèn)題，并改善系統(tǒng)響應(yīng)所產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象，從而提高四旋翼無(wú)人機(jī)的軌跡跟蹤控制精度和收斂速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多旋翼直升機(jī)的自主飛行控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于連續(xù)終端滑模的 四旋翼軌跡跟蹤控制方法。

背景技術(shù)

四旋翼無(wú)人飛行器是小型無(wú)人機(jī)的典型代表，是融合了自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、 傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、導(dǎo)航和通信技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)等諸多技術(shù)的綜合機(jī)器人系統(tǒng)。四 旋翼無(wú)人機(jī)是一種能夠攜帶有效載荷，比如通信設(shè)備、影像采集設(shè)備、殺傷性武器等等，依 靠對(duì)稱(chēng)分布在機(jī)體四周的旋翼和電機(jī)提供飛行動(dòng)力，進(jìn)行自主飛行或者遙控飛行完成指定任 務(wù)，并且可收回重復(fù)使用的無(wú)人機(jī)。與固定翼相比，四旋翼無(wú)人機(jī)能夠進(jìn)行垂直起降(Vertical Take-Off and Landing，VTOL)和懸停，不需要利用跑道進(jìn)行起飛和降落，更加節(jié)省空間。 四旋翼以其超強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性、攜帶負(fù)載能力和多樣的飛行方式，吸引了各界專(zhuān)家學(xué)者 的廣泛關(guān)注，成為控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

四旋翼系統(tǒng)因其非線性、欠驅(qū)動(dòng)性、強(qiáng)耦合性以及不確定性，對(duì)控制帶來(lái)一定程度的困 難。目前針對(duì)系統(tǒng)的非線性以及強(qiáng)耦合性，學(xué)者常采用滑模控制(Sliding ModelControl，SMC) 方案。這種控制策略使得系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)(偏差及各階導(dǎo)數(shù)) 有目的的不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)，由于滑動(dòng)模態(tài)可以設(shè) 計(jì)且與對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這種控制方式具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏，相比 工程中常用的比例-積分-微分(Proportion Integral Differential，PID)控制器來(lái)說(shuō)，SMC具有 很強(qiáng)的魯棒性。但將該方法用于四旋翼系統(tǒng)時(shí)會(huì)在滑模切換面上產(chǎn)生抖振，導(dǎo)致滑模控制的 收斂速度較慢，控制精度下降。并且，傳統(tǒng)滑模控制信號(hào)具有不連續(xù)性，不適合工程中采用。

針對(duì)現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于連續(xù)非奇異終端滑模算法(Continuous Nonsingular Terminal Sliding Model Algorithm,CNTSMA)的四旋翼軌跡跟蹤控制方法。該方 法采用內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)和外環(huán)控制位置的控制方式，通過(guò)對(duì)CNTSMA的滑模切換面進(jìn)行補(bǔ)償 和滑模參數(shù)自適應(yīng)處理操作，有效解決了四旋翼系統(tǒng)飛行控制中的非線性、欠驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)耦合 問(wèn)題，并改善系統(tǒng)響應(yīng)所產(chǎn)生的抖振現(xiàn)象，從而提高四旋翼無(wú)人機(jī)的軌跡跟蹤控制精度和收 斂速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于連續(xù)終端滑模的四旋翼軌跡跟蹤控制方法，解決四旋翼 系統(tǒng)控制中的非線性、欠驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)耦合問(wèn)題，從而提高四旋翼無(wú)人機(jī)的軌跡跟蹤控制精度和 收斂速度。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于連續(xù)終端滑模的四旋翼軌跡跟蹤控制方法，包括如下步驟：

步驟1：根據(jù)四旋翼動(dòng)力學(xué)方程的姿態(tài)位置耦合特性，將四旋翼系統(tǒng)劃分為內(nèi)環(huán)控制姿 態(tài)和外環(huán)控制位置兩個(gè)子系統(tǒng)；

步驟2：引入虛擬控制變量處理外環(huán)位置控制變量的欠驅(qū)動(dòng)特性，并計(jì)算虛擬控制變量 與外環(huán)控制變量的關(guān)系；

步驟3：對(duì)外環(huán)的位置控制變量設(shè)計(jì)基于連續(xù)終端滑模的控制率，考慮到xy方向的耦合 問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行滑模面補(bǔ)償和參數(shù)自適應(yīng)；

步驟4：對(duì)內(nèi)環(huán)的姿態(tài)控制變量設(shè)計(jì)基于連續(xù)終端滑模的控制率；

步驟5：向四旋翼系統(tǒng)輸入?yún)⒖嘉恢煤妥藨B(tài)角，然后將步驟3和步驟4所設(shè)計(jì)的位置控 制率和姿態(tài)控制率輸入系統(tǒng)，得到系統(tǒng)下一時(shí)刻的位置和姿態(tài)；