[發明專利]一種四旋翼無人機的魯棒自適應姿態軌跡跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 202210912067.7
• 申請日: 2022-07-29
• 公開（公告）號: CN115047900A
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 李振友;倪金宇;曹顥齡;周炳;孫麗貝;黃秀財
• 申請（專利權）人: 重慶昆頂環?？萍加邢薰?/a>
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 重慶晟軒知識產權代理事務所(普通合伙) 50238
• 代理人: 孔玲瓏

本發明涉及一種四旋翼無人機的魯棒自適應姿態軌跡跟蹤控制方法，包括如下步驟：構建一般通用的四旋翼無人機模型以及無人機姿態控制器模型；通過計算跟蹤誤差對訓練更新控制器參數，以得到最終通用的姿態控制器。本發明中所使用的姿態控制器可以實現無人機在期望軌跡下的控制和跟蹤。

技術領域

本發明涉及自動控制領域，特別涉及一種四旋翼無人機的魯棒自適應姿態軌跡跟蹤控制方法。

背景技術

現有在過去的十幾年中，四旋翼無人機被廣泛應用于各個領域，從航空測量到測繪、消防、環境監測到軍事領域。因此，四旋翼無人機越來越受到研究人員和學者的重視。姿態軌跡跟蹤控制問題作為四旋翼無人機的一個基本而又重要的控制問題，一直以來得到人們的廣泛關注和研究。

然而，四旋翼無人機是一個強耦合、高度非線性、欠驅動的系統，具有四個輸入以及六個自由度，分別由三個飛行方向的平動運動和三個繞軸的旋轉運動組成。這些特點使得四旋翼無人機的有效姿態軌跡零誤差穩態跟蹤控制器的設計成為研究人員和學者面臨的一個非常困難的問題。

傳統上，人們采用如對四旋翼無人機模型線性化、近似的方法進行姿態軌跡跟蹤控制，但這些方法帶來了種種問題。如線性化方法只能工作于小范圍的姿態角變化，近似方法帶來很高的計算成本，同時會出現結構復雜度太高的問題。

同時，對于像四旋翼無人機這樣的多輸入多輸出系統，其控制輸入增益矩陣往往是復雜的，甚至是未知的，因此有必要對具體系統設定可控性條件。早些年人們提出了一些可控性條件，但這些條件都較為保守，這限制了更多本來可以被考慮的四旋翼無人機的控制應用。

發明內容

針對現有技術存在的上述問題，本發明要解決的技術問題是：如何能實現無人機實際軌跡對期望軌跡的跟蹤。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種四旋翼無人機的魯棒自適應姿態軌跡跟蹤控制方法，包括如下步驟：

S100:構建四旋翼無人機模型，表達式如下：

y＝x1； (1)

其中，x₁＝Θ和表示姿勢狀態變量，u＝τ∈R³表示輸入向量，表示未知的外部擾動，W表示旋轉矩陣，J表示慣性矩陣，G表示陀螺力矩，y∈R³表示輸出向量，為控制輸入增益函數矩陣，表示與相關非線性函數；

S200：構建無人機姿態控制器模型，具體表達式如下：

構建自適應律，具體表達式如下：

其中，k＞0和σ1＞0表示設計參數，v(t)滿足v(t)≥0且對和表示非負標量函數，α表示可控性矩陣，和a₁、a₂和a表示未知常數，s表示過濾變量，表達式如下：

其中，λ₁表示任意常數，s(t)表示t時刻的過濾變量，e(t)表示無人機跟蹤誤差，表示e(t)的一階導數；

S300：定義跟蹤誤差e(t)，表達式如下：

e(t)＝x₁-y_d(t)； (5)

其中，y_d(t)＝[φ_d(t)，θ_d(t)，ψ_d(t)]^T∈R³表示期望輸出軌跡；x₁＝y(t)表示實際輸出軌跡；