[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

本發明屬于機器人控制領域，具體涉及一種四旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法，包括：采用位置速度控制環實時估計該環路的擾動，并基于該擾動估計量計算無人機合力控制量以及第一角度及其對應的角速度和角加速度，第一角度為橫滾角度和俯仰角度，該環路擾動估計誤差在固定時間內收斂到零；采用姿態角控制環實時估計該環路擾動，并基于該擾動估計量，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，第二角度為偏航角度，該環路擾動估計誤差在固定時間內收斂到零；基于合力控制量和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。本發明實現對無人機在固定時間上的高精度軌跡跟蹤控制。

技術領域

本發明屬于機器人控制領域，更具體地，涉及一種四旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法。

背景技術

隨著現代控制理論和旋翼無人機技術研究的發展，旋翼無人機可以實現穩定懸停，定點起飛和降落等優良特性，旋翼無人機作為實現未來空中物流交通運輸的主流發展方向，激勵了大量科研人員從事旋翼無人機控制系統相關課題的研究工作。

然而用于單旋翼無人機在實際應用中往往存在著控制難度高穩定性差，針對應用領域的穩定性簡易性，研究人員也開始將研究對象轉向四旋翼無人機系統。另一方面，因存在輸入變量更多，四旋翼往往比單旋翼無人機更加靈活、易于控制且穩定性更好，可以在飛行時，同時完成某些高要求任務，如航拍。因而，四旋翼無人機更符合實際應用需求。

在實際應用中，可能會要求四旋翼無人機系統在固定時間完成軌跡跟蹤任務，而目前主流控制方法無法實現固定時間軌跡跟蹤，為滿足實際應用需求，固定時間跟蹤方法尤為重要。另外，同大多機械剛體結構一樣，四旋翼無人機的動態特性可通過由其機械參數表示的數學模型表達，但前提是無人機的結構已知，且機械參數已知。實際上，無人機在工作過程中，受工況以及外部干擾的影響，其部分機械參數往往無法精確測得。故在對無人機進行數學建模時，通常需要考慮參數不確定性。

因此，結合以上，在任務空間中考慮擾動及模型參數不確定性的四旋翼無人機系統的有限時間軌跡跟蹤控制具有重要意義。

發明內容

本發明提供一種四旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法，用以解決現有四旋翼無人機軌跡跟蹤控制中因在建模時機械參數無法精確獲得且無法固定軌跡跟蹤時間而導致在實際應用中無法實現對無人機在時間和軌跡上的高精度跟蹤控制的技術問題。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：一種四旋翼無人機軌跡跟蹤控制方法，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。