一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法技术

本发明专利技术公开了一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法，涉及飞行器自动控制领域，首先，建立基于欧拉角描述的四旋翼无人机姿态动力/运动学模型；其次，构造扩张状态观测器(ESO)对包括参数不确定性和外部干扰在内的集总干扰进行在线观测与补偿；然后，设计姿态调节时间可任意指定的边界性能函数，最后，构造姿态回路虚拟控制律和角速度回路实际控制律，以实现姿态响应暂态与稳态性能的先验调节。本发明专利技术具有如下的优势：(1)所提的方法可以确保四旋翼姿态机动控制满足预设性能指标要求，并且收敛速度可通过性能剖面的时间常数任意指定；(2)引入扩张状态观测器技术，可以实现输出反馈意义下的干扰精确估计与补偿。

An output feedback control method with guaranteed performance for a given time of four rotor attitude

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法
本专利技术涉及飞行器自动控制领域，具体为一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法，应用于不依赖角速率量测条件下四旋翼姿态从任意初始值至目标值的有限时间保性能控制。
技术介绍
近年来，随着MEMS传感技术、信息网络技术、控制技术的飞跃发展，四旋翼无人机的设计、开发与实践得到了前所未有的关注。相较于固定翼无人机，四旋翼展现出如下性能优势：结构简单，制造成本低、易维护、机身轻便、易操纵，而且还有机动性、环境耐久性、悬停性、垂直起降性等显著的性能，具有显著的军民两用价值。四旋翼是一个具有多输入多输出(MIMO)的高非线性、欠驱动耦合系统，同时，四旋翼动力学包含各种不确定扰动源，包括参数变化、模型失配、环境干扰等。此外，出于载荷有限或者简易配置要求，部分状态(如角速率)往往不可测或者测量精度无法满足闭环反馈控制需求。因而，如何解决速度不可测情况下的四旋翼轨迹/姿态控制问题更具实用价值。已有的四旋翼姿态控制方法通常借助跟踪微分器、或者状态观测器，大多仅能实现输出反馈意义下的姿态跟踪误差最终一致有界性，较少关注存在未知干扰情况下的姿态控制保性能问题。尽管目前预设性能控制可以实现被控对象性能先验调节，但由于其采用指数衰减形式的函数剖面，只能确保系统状态以无穷时间收敛于预设目标，难以满足实际工程中快速收敛这一苛刻要求。而公开的可实现任意指定收敛时间的控制方法(如有限或固定时间控制)，其收敛时间严格依赖于系统状态初值和控制器参数，并且对于收敛时间上界的估计具有强保守性，严重限制其工程应用。此外，上述控制策略无法实现系统稳态行为的先验调节。基于对已有结果的分析，进行不依赖角速率量测条件下四旋翼姿态从任意初始值至目标值的有限时间保性能控制方法的研究是非常必要的。
技术实现思路
本专利技术为了解决不依赖角速率量测条件下四旋翼姿态从任意初始值至目标值的有限时间保性能控制问题，提供了一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法。本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法，包括以下步骤：(1)建立基于欧拉角描述的四旋翼无人机姿态动力/运动学模型：其中，Θ＝[φ,θ,ψ]T表示机体坐标系中的欧拉角，且φ,θ,ψ分别表示四旋翼无人机姿态中的滚转角，俯仰角和偏航角；Ω＝[Ωφ,Ωθ,Ωψ]T表示角速度矢量，Ωφ,Ωθ,Ωψ分别表示滚转角速度、俯仰角速度与偏航角速度；J＝diag(Jφ,Jθ,Jψ)表示正定惯性矩阵；Π＝diag(kφ,kθ,kψ)表示姿态回路中的不确定阻尼矩阵，ki(i＝φ,θ,ψ)表示阻尼系数；K＝diag(l,l,c)表示对称的常数矩阵，l表示每一个电机到四旋翼质心的距离，c表示力矩系数；U＝[uφ,uθ,uψ]T表示四旋翼无人机姿态角输入的转动扭矩；d＝[dφ,dθ,dψ]T表示施加于姿态运动学中的未知有界外部干扰；为了方便控制器设计，引入如下符号变量：X1＝Θ，K2＝J-1K，dΘ＝-J-1ΠΩ+J-1d表示四旋翼无人机姿态回路中集总干扰，包括系统中的参数不确定性和未知的有界外部干扰；通过这些变换，将四旋翼无人机姿态动力学模型写成如下的紧凑形式：(2)针对步骤(1)给出的四旋翼不确定姿态模型，构造扩张状态观测器ESO对集总干扰进行在线观测与补偿：构造如下的四旋翼姿态扩张状态观测器：其中，w0表示扩张状态观测器的带宽，满足w0＞0，而且w0是扩张状态观测器中唯一需要调节的参数；分别为四旋翼角速率和集总干扰的估计值；(3)设计姿态调节时间可任意指定的边界性能函数，结合步骤(2)给出的干扰估计，分别构造姿态回路虚拟控制律和角速度回路实际控制律，以实现姿态响应暂态与稳态性能的先验调节：定义Xid,(i＝φ,θ,ψ)为给定的足够平滑的姿态指令，实际姿态角为X1＝[Xφ1,Xθ1,Xψ1]T，则四旋翼无人机姿态跟踪误差为ei1＝Xi1-Xid，为确保姿态跟踪误差满足如下性能约束：其中，ai(t)为收敛时间可任意指定的性能函数：其中，ri∈(0,1),ai0,ai∞,Ti为指定时间性能剖面的调节参数，通过调整时间Ti的数值可以使得性能函数ai(t)指定时间收敛；接下来，采用误差转换函数Si(·)可以将受约束的姿态跟踪误差转化为无约束的跟踪误差：其中zi(t)为转换后的跟踪误差，是归一化误差；基于转换后的跟踪误差，构造姿态子系统的虚拟控制律为：其中，ki1为姿态回路的控制增益；定义考虑速度状态和集总干扰是不可测的，设计角速度子系统的实际控制器为：其中，k2为角速度回路的控制增益矩阵。本专利技术所提供的反馈控制方法，主要过程为：首先，建立基于欧拉角描述的四旋翼无人机姿态动力/运动学模型；其次，构造扩张状态观测器(ESO)对包括参数不确定性和外部干扰在内的集总干扰进行在线观测与补偿；然后，设计姿态调节时间可任意指定的边界性能函数，最后，构造姿态回路虚拟控制律和角速度回路实际控制律，以实现姿态响应暂态与稳态性能的先验调节。与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所提供的一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法，其提出了一种可任意指定收敛时间的性能剖面，不仅可以确保姿态误差保性能约束，还能控制四旋翼从任意初始状态都能按照指定的收敛时间到达稳态，即可以确保四旋翼姿态机动控制满足预设性能指标要求，并且收敛速度可通过性能剖面的时间常数任意指定；进一步，综合预设性能控制和扩张状态观测器技术，实现了输出反馈框架下的四旋翼姿态任意时间保性能跟踪，引入扩张状态观测器技术，可以实现输出反馈意义下的干扰精确估计与补偿。附图说明图1是本专利技术一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法的流程图。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法，流程如图1所示，包括以下步骤：(1)建立基于欧拉角描述的四旋翼无人机姿态动力/运动学模型：其中，Θ＝[φ,θ,ψ]T表示机体坐标系中的欧拉角，且φ,θ,ψ分别表示四旋翼无人机姿态中的滚转角，俯仰角和偏航角；Ω＝[Ωφ,Ωθ,Ωψ]T表示角速度矢量，Ωφ,Ωθ,Ωψ分别表示滚转角速度、俯仰角速度与偏航角速度；表示正定惯性矩阵；Π＝diag(0.0024,0.0024,0.0024)Nms2表示姿态回路中的不确定阻尼矩阵，ki(i＝φ,θ,ψ)表示阻尼系数；K＝diag(l,l,c)表示对称的常数矩阵，l＝0.4m表示每一个电机到四旋翼质心的距离，c＝0.05表示力矩系数；U＝[uφ,uθ,uψ]T表示四旋翼无人机姿态角输入的转动扭矩；d＝[dφ,dθ,dψ]T＝[0.2(sin(t)+sin(0.5t)),0.2(cos(0.5t)-cos(0.8t)),0.2(sin(t)sin(0.5t))]T表示施加于姿态运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(1)建立基于欧拉角描述的四旋翼无人机姿态动力/运动学模型：/n

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼姿态指定时间保性能输出反馈控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立基于欧拉角描述的四旋翼无人机姿态动力/运动学模型：



其中，Θ＝[φ,θ,ψ]T表示机体坐标系中的欧拉角，且φ,θ,ψ分别表示四旋翼无人机姿态中的滚转角，俯仰角和偏航角；Ω＝[Ωφ,Ωθ,Ωψ]T表示角速度矢量，Ωφ,Ωθ,Ωψ分别表示滚转角速度、俯仰角速度与偏航角速度；J＝diag(Jφ,Jθ,Jψ)表示正定惯性矩阵；Π＝diag(kφ,kθ,kψ)表示姿态回路中的不确定阻尼矩阵，ki(i＝φ,θ,ψ)表示阻尼系数；K＝diag(l,l,c)表示对称的常数矩阵，l表示每一个电机到四旋翼质心的距离，c表示力矩系数；U＝[uφ,uθ,uψ]T表示四旋翼无人机姿态角输入的转动扭矩；d＝[dφ,dθ,dψ]T表示施加于姿态运动学中的未知有界外部干扰；
为了方便控制器设计，引入如下符号变量：
X1＝Θ，K2＝J-1K，dΘ＝-J-1ΠΩ+J-1d表示四旋翼无人机姿态回路中集总干扰，包括系统中的参数不确定性和未知的有界外部干扰；通过这些变换，将四旋翼无人机姿态动力学模型写成如下的紧凑形式：



(2)针对步骤(1)给出的四旋翼不确定姿态模型，构造扩张状态观测器ESO对集总干扰进行在线观测与补偿：
构造如下的四旋翼姿态扩张状态观测器：


...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵星灵，田彪，张文栋，刘俊，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14