[發明專利]一種四旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201911367910.2
• 申請日: 2019-12-26
• 公開（公告）號: CN111026160B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 劉智偉;程星
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 尹麗媛;李智

1.一種四旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括：

基于期望位置及其對應的速度和加速度以及實時采集的實際位置及其對應的速度和角度，采用位置速度控制環，實時估計該環路的擾動，并基于該擾動的估計量，計算無人機的合力控制量以及參考第一角度及其對應的角速度和角加速度，其中，所述第一角度為橫滾角度和俯仰角度，該環路的擾動估計誤差在固定時間內收斂到零；

基于所述參考第一角度及其對應的角速度和角加速度、期望第二角度其對應的角速度和角加速度以及實際角度及其對應的角速度，采用姿態角控制環，實時估計該環路的擾動，并基于該擾動的估計量，分別計算無人機繞機體坐標系x、y、z軸轉動的力矩控制量，其中，所述第二角度為偏航角度，該環路的擾動估計誤差在固定時間內收斂到零；

基于所述合力控制量和所述力矩控制量，控制無人機軌跡跟蹤，其中，無人機的角度、角速度誤差以及位置、速度誤差均在固定時間內收斂到零；

所述位置速度控制環包括用于使得該環路的擾動估計誤差在第一固定時間T₁內收斂到零的狀態估計器，表示為：

其中，為該環路的實際擾動D₁的估計量，在初始時刻t₀，該環路的實際擾動量D₁為零，L₁為該環路的實際擾動各分量變化率的上界；k_i,i＝1,2,3為控制增益常數；k₂＞0,k₃＞4L₁,0＜μ₁＜1,λ₁＞1，v為無人機的實際速度矢量，v_d為無人機的期望速度矢量，g為重力加速度，u₁為所述合力控制量，e_z表示大地坐標系下z軸的單位矢量，m為無人機質量，R∈R^3×3為依次以機體坐標系的z、y、x順序旋轉的旋轉矩陣，a_d為無人機的期望加速度矢量；

則所述第一固定時間T₁表示為：

所述合力控制量u₁表示為：

其中，α_i＞0,β_i＞0,0＜n_i＜m_i,0＜p_i＜q_i,i＝1,2，m_i,n_i,p_i,q_i均為正奇數；p為無人機的實際位置，p_d為無人機的期望位置，e_v為無人機的速度誤差，S₁為該環路的預設滑模面；

所述姿態角控制環節包括用于使得該環路的擾動估計誤差在第二固定時間T₂內收斂到零的間狀態估計器表示為：

其中，為WD₂的估計量，D₂為該環路的實際擾動，L₂為該環路的實際擾動各分量變化率的上界，在初始時刻t₀，該環路的實際擾動量D₂為零，W為坐標系變換矩陣，I為單位矩陣，Ω為機體坐標系下的實際角速度矢量，為在大地坐標系下的無人機的期望角速度矢量，τ'為該環的滑模控制律；k_i,i＝4,5,6為控制增益常數，k₅＞0,k₆＞4L₂,0＜μ₂＜1,λ₂＞1；

則所述第二固定時間T₂表示為：

所述無人機繞機體坐標系x、y、z軸轉動的力矩控制量分別為u₂、u₃、u₄，表示為：[u₂,u₃,u₄]^T＝τ；τ＝I^-1Wτ'；

其中，α_i＞0,β_i＞0,0＜n_i＜m_i,0＜p_i＜q_i,i＝3,4，m_i,n_i,p_i,q_i均為正奇數；Θ為在大地坐標系下的無人機的實際角度矢量，Θ_d為在大地坐標系下的無人機的期望角度矢量，為在大地坐標系下的無人機的期望角加速度矢量，為W的導數，S₂為該環路的預設滑模面。