[發明專利]一種基于終端滑模控制的固定時間四旋翼飛行器控制方法

有效

• 申請號: 202110270909.9
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113050683B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 蔡光斌;楊芊;楊小岡;程偉民;侯明哲;席建祥
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍火箭軍工程大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 郭璐

本發明公開了一種基于終端滑模控制的固定時間四旋翼飛行器控制方法，包括建立基于拉格朗日方程的四旋翼飛行器非線性動力學模型；將四旋翼模型進行面向控制處理，基于時間尺度分解法把四旋翼解耦成位置系統和姿態系統；采用非奇異終端滑模策略，為位置系統和姿態系統設計了固定時間控制器，實現了四旋翼系統的位置誤差和姿態誤差均可在固定時間內趨向于零；基于固定時間理論設計非奇異終端滑模函數，收斂時間上界取決于控制器參數，與初始系統狀態無關；仿真結果證明，本發明設計的終端滑模固定時間控制器有著較好的收斂速度，且避免了奇異性問題，為四旋翼相關控制問題的研究開拓了很好的思路，具有跟蹤能力、快速性和魯棒性好的特點。

技術領域

本發明涉及飛行器控制技術領域，具體涉及一種基于終端滑模控制的固定時間四旋翼飛行器控制方法。

背景技術

四旋翼無人飛行器由于具有體積小、重量輕、飛行快等飛行優勢，以及飛行姿態靈活、懸停自由等特有的性能而受到廣泛關注，成為無人機方向研究的熱點，并且在軍事、民用以及商業領域得到了諸多應用；在軍事上，不但可以對敵情進行偵查、監視和戰場評估，還可以用于目標搜索，通信中繼，邊境巡邏等特殊任務，甚至在戰爭中還可以被當作微型攻擊武器，對對方實施電子戰或者直接打擊目標；在民用上，無人機已經被廣泛應用于氣象、通信、災害監測等領域，比如用于森達防火監測，搜尋災難幸存者或者有害氣體污染源，火山探險等人類無法到達的一些惡劣環境；目前已發展運用到民用航拍、貨物運輸、醫療急救、故障診斷等更多行業；

然而，四旋翼飛行器由于其控制系統的高度非線性，輸入輸出變量之間的強耦合性，以及系統本身的不確定性和外界未知的干擾，使得對無人機的控制變得十分復雜；目前四旋翼飛行器控制方法主要有經典的PID控制、滑模變結構控制、模糊控制以及神經網絡控制等方法，這些方法都有其各自的特點；如何能夠設計出既能精確控制又有良好穩定性的控制系統，是四旋翼飛行器發展面臨的重要挑戰，也是需要解決的主要難點問題；

近年來，由于滑模變結構控制具有不受系統參數和外部干擾的影響的優點，因此被廣泛應用于非線性系統控制問題中；滑模變結構控制實質上為一種變控制結構的非線性算法，其工作本質是根據系統狀態、偏差等狀態變量不斷地調整被控系統的控制輸入，使系統狀態軌跡在控制輸入的作用下能夠到達且沿著預先確定的“滑動模態”運動，直至平衡位置；該方法不依賴系統準確模型，并且控制效果不易受被控對象數學參數以及各種擾動因素的影響，因此相較于其他控制算法魯棒性更強，為四旋翼相關控制問題的研究開拓了很好的思路。

發明內容

針對上述存在的問題，本發明旨在提供一種基于終端滑模控制的固定時間四旋翼飛行器控制方法，通過采用固定時間理論設計非奇異終端滑模控制器，使得得到的四旋翼飛行器具備較好的跟蹤性能，并且具備一定的快速性和魯棒性，為四旋翼相關控制問題的研究開拓了很好的思路，具有跟蹤能力、快速性和魯棒性好的特點。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種基于終端滑模控制的固定時間四旋翼飛行器控制方法，包括

步驟一：首先建立基于拉格朗日方程的四旋翼飛行器的非線性動力學模型；

步驟二：將四旋翼飛行器非線性動力學模型轉化為包括位置系統和姿態系統的二階非線性系統形式；

步驟三：基于四旋翼飛行器欠驅動的特點，求解位置模型的中間指令信號θ_d,ψ_d；

步驟四：根據步驟二和步驟三的模型處理結果，設計基于固定時間理論的非奇異終端滑模函數；

步驟五：以步驟四非奇異終端滑模函數為控制策略，設計非奇異終端滑模固定時間控制器，使系統位置及姿態軌跡跟蹤誤差在固定時間收斂到零。

優選的，步驟一所述的基于拉格朗日方程的四旋翼飛行器的非線性動力學模型為：