[發(fā)明專利]一種空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010039393.2
• 申請(qǐng)日: 2020-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN111158240B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孟中杰;陳志亮;白宇彤;黃攀峰;張夷齋;馬志強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;G05D1/08;G05D1/10;B64D1/00;B64C27/08
• 代理公司: 西安凱多思知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 康進(jìn)興

1.一種空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：對(duì)抓捕器位置外環(huán)的滑模控制設(shè)計(jì)，包括以下子步驟：

子步驟一：條件限定：假設(shè)俯仰和滾裝通道的姿態(tài)角與零的差值小于設(shè)定閾值，忽略姿態(tài)內(nèi)環(huán)偏航角的延遲控制對(duì)位置環(huán)的影響，且定義輸入控制器的位置信息不存在誤差；

子步驟二：定義位置環(huán)的線性滑模面為X＝[x y]^T代表由相機(jī)得到的抓捕器與目標(biāo)位置的偏差，包括軸x和y軸的偏差，表示通過濾波得到的速度信息，包括x軸和y軸的速度信息，a₁表示抓捕器向目標(biāo)位置的收斂指數(shù)；x軸方向?yàn)樯隙藷o人機(jī)平臺(tái)的質(zhì)心指向目標(biāo)物的方向，y軸方向?yàn)榕cx軸方向處于同一水平面內(nèi)且垂直于x軸方向；

子步驟三：對(duì)位置外環(huán)的線性滑模面求導(dǎo)可得：首先令得到滑模控制的等效控制量其中為濾波得到的速度信息，則完整的位置外環(huán)控制量為：其中k₁表示切換參數(shù)，且N表示位置控制中允許的最大加速度；

子步驟四：定義T＝[T_x T_y T_z]^T為系繩張力，l表示繩長(zhǎng)，g表示當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?/p>

子步驟五：根據(jù)子步驟三，得到系繩抓捕器系統(tǒng)的位置動(dòng)力學(xué)模型：其中，m為抓捕器質(zhì)量，F(xiàn)_x表示x軸方向的推力，F(xiàn)_y表示y軸方向的推力；將子步驟四帶入模型中得到期望的位置外環(huán)的推力；

子步驟六：通過力分配模型：

得到雙涵道風(fēng)扇的總推力F_sum以及期望的內(nèi)環(huán)偏航角姿態(tài)β_e；

步驟二：對(duì)抓捕器姿態(tài)內(nèi)環(huán)的非線性滑模控制設(shè)計(jì)，包括以下子步驟：

子步驟一：條件限定：假設(shè)偏航角β能夠?qū)崟r(shí)跟蹤外環(huán)的需求，不考慮對(duì)內(nèi)環(huán)控制造成的影響，同時(shí)忽略姿態(tài)角的誤差，且忽略角速度向姿態(tài)角速度的轉(zhuǎn)移矩陣隨時(shí)間的變化；

子步驟二：定義姿態(tài)內(nèi)環(huán)的非線性滑模面為S₂＝a₂arctan(b₂σ)+Gω，其中σ＝[γ α(β-β_e)]，γ為滾轉(zhuǎn)角、α為俯仰角、β為偏航角，ω為抓捕器角速度、G為角速度ω向姿態(tài)角變化率的轉(zhuǎn)移矩陣，滿足a₂,b₂為非線性滑模的收斂指數(shù)，其中G的具體表達(dá)式為：

即得到姿態(tài)內(nèi)環(huán)的非線性滑模面收斂指數(shù)a₂,b₂；

子步驟三：對(duì)姿態(tài)內(nèi)環(huán)的非線性滑模面求導(dǎo)：令得到系統(tǒng)的等效控制量其中是通過姿態(tài)傳感器反饋得到的，且角速度反饋信息存在±0.01°s^-1的誤差，則完整的內(nèi)環(huán)控制量為：

其中

其中表示在0≤σ≤π之間取值時(shí)的最大值，N₂表示姿態(tài)控制中允許的最大角加速度；

子步驟四：通過剛體姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程，得到抓捕器的三軸期望力矩M：

其中I表示抓捕器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，M＝[M_x M_y M_z]^T，M_x,M_y,M_z含義為期望力矩矢量M在x,y,z三軸上的標(biāo)量分量；

步驟三：根據(jù)上述步驟一和步驟二，得到

其中d為涵道風(fēng)扇安裝位置于質(zhì)心的水平偏差，F(xiàn)₁,F₂為涵道風(fēng)扇的推力，x_c為絲桿滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊移動(dòng)的偏移質(zhì)心距離，完成對(duì)空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制。