【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多源扰动下四旋翼无人机预定义时间轨迹跟踪控制方法，属于无人机智能控制。
技术介绍
1、近年来，随着微机械传感器、复合材料、视觉定位与导航等技术的快速发展，无人机逐渐变得更加智能化和轻量化。由于其多功能性以及自主或远程控制执行任务的能力，无人机在危险、复杂的环境中作业具有明显的优势。
2、四旋翼无人机作为一个典型的欠驱动、非线性和强耦合的复杂系统，其飞行过程还会受到内部启动参数摄动、摩擦等未建模动态外界阵风干扰以及环境不确定性因素等多源干扰的影响，当其在复杂环境中工作时，必须具有处理非线性动力学和快速收敛的特性以实现抗干扰控制。现有技术对于系统动态收敛特性的控制算法包括有限时间控制、固定时间控制和预定义时间控制。有限时间稳定的判据主要依赖于齐次系统理论和有限时间李雅普诺夫稳定性理论，其缺点在于，其稳定时间的上限取决于系统的初始条件；固定时间控制可以克服有限时间控制的这一缺点，其稳定时间是有界的，并且上界与系统的初始状态无关，但是稳定时间界限的估计具有不转确性。因此，如何实现四旋翼无人机在多源扰动下的复杂环境中工作时，能够处理非线性动力学和快速收敛仍是亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种多源扰动下四旋翼无人机预定义时间轨迹跟踪控制方法，该控制方法能够实现高跟踪精度和快速收敛，提高四旋翼无人机的抗干扰性能，使其在预定义时间内将状态误差控制为零，快速实现飞行姿态的稳定。
2、为了实现上述目的，本专利
3、s1.建立四旋翼无人机数学模型，步骤如下：
4、s1.建立含有多源扰动的四旋翼无人机数学模型，步骤如下：
5、s1.1.定义在机体坐标系下绕x轴、y轴和z轴旋转所形成的角度分别为四旋翼无人机横滚角φ、俯仰角θ和偏航角ψ，式中，横滚角φ和俯仰角θ的取值范围均为(-0.5π,0.5π)，偏航角ψ的取值范围为(-π,π)；x,y,z分别表示四旋翼无人机质心在惯性坐标系中的水平位置；地面坐标系为e(oexeyeze)，机体坐标系为b(obxbybzb)。
6、s1.2.根据牛顿-欧拉方程，建立含多源扰动的四旋翼无人机动力学模型：
7、
8、式中，m表示四旋翼无人机总质量，g表示重力加速度，ix,iy,iz表示机体分别绕x,y,z三轴的转动惯量，l为旋翼中心到无人机质心的距离，[dx,dy,dz,dφ,dθ,dψ]t表示含有风扰、气流干扰、参数摄动的多源总扰动，[kx,ky,kz,kφ,kθ,kψ]t为无人机受到的气动系数，[u1,u2,u3,u4]t为系统的控制输入，且u1＝f1+f2+f3+f4，u2＝l(f4-f2)，u3＝l(f3-f1)，u4＝l(f4+f2-f3-f1)，式中[f1,f2,f3,f4]t为旋翼产生的升力，即四旋翼无人机系统的实际控制输入；
9、s1.3.为简化控制系统设计，在位置子系统引入虚拟控制量：
10、
11、s1.4.反解公式(2)，得：
12、
13、式中，φd为期望的滚转角，θd为期望的俯仰角θd，u1为控制器输入。
14、s1.5.将四旋翼无人机解耦为姿态环和位置环，分别对其进行控制，位置子系统的状态方程为：
15、
16、式中，x1＝[x,y,z]t，dx＝[dx,dy,dz]t为多源扰动的有界干扰，g(x)＝[1,1,1]t，u＝[ux,uy,uz]t为虚拟控制律；
17、s1.6.姿态子系统的状态方程为：
18、
19、式中，x3＝[φ,θ,ψ]t,dφ＝[dφ,dθ,dψ]t,uφ＝[u2,u3,u4]t，
20、s2.位置控制器设计，步骤如下：
21、s2.1.位置系统的动态误差定义为：
22、ex＝[e1,e3,e5]t＝[x-xd,y-yd,z-zd]t (6)
23、式中，e1,e3,e5为位置子系统位置跟踪误差；
24、对公式(6)求导得:
25、
26、式中，e2,e4,e6为位置子系统速度跟踪误差；
27、s2.2.使用滑模控制器设计位置子系统，定义位置系统滑模面:
28、
29、式中，c1＝[c1,c2,c3]t且c1,c2,c3＞0，sx＝[sx,sy,sz]t，sx,sy,sz分别表示x轴，y轴和z轴的滑模面；
30、s2.3.设计非线性扰动观测器：
31、
32、式中，是dx的估计值；χ＝[χ1,χ2,χ3]t是扰动观测器的状态向量；ε＝[ε1,ε2,ε3]t是观测器的带宽，定义估计误差及其导数
33、
34、式中，
35、s2.4.设计位置控制器
36、
37、式中，ηx,ηy,ηz的取值均大于0；hx,hy,hz的取值均大于0；
38、s3.姿态控制器设计，步骤如下：
39、s3.1.定义姿态角的跟踪误差
40、eφ＝[eφ,eθ,eψ]t＝[φ-φd,θ-θd,ψ-ψd]t (12)
41、则跟踪误差的导数为：
42、
43、s3.2.设计预定义时间非奇异终端滑模控制面：
44、
45、式中，0＜ρφ＜1且ρφ＝[ρφ,ρθ,ρψ]t，参数αφ1和αφ2设置为：
46、
47、式中，nφ,nθ,nψ的取值均大于0；mφ,mθ,mψ的取值均大于0；tc＞0；
48、对公式(14)进行微分得：
49、
50、式中，λφ1＝diag{|eφ|-ρ,|eθ|-ρ,|eψ|-ρ}，λφ2＝diag{|eφ|ρ,|eθ|ρ,|eψ|ρ}；
51、s3.3.设计预定义时间非奇异滑模控制器:
52、
53、式中，ηφ＝[ηφ,ηθ,ηψ]t,ηφ,ηθ,ηψθ的取值均大于0，σ＞0，参数hφ1和hφ2设置为:
54、
55、饱和函数satσ(·)定义为satσ(λ1)＝diag{satσ(λ11),…,satσ(λ1n)}，且satσ(λ1j)为:
56、
57、式中，j＝φ,θ,ψ；
58、s4.稳定性分析：
59、s4.1.对滑模函数求导得：
60、
61、定义李雅普诺夫函数v1：
62、
63、对v1微分得：
64、
65、从公式(22)知，李雅普诺夫函数v1是半负定的，即位置系统是渐近稳定的，系统在有限时间内收敛到0；
66、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.多源扰动下四旋翼无人机预定义时间轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤:
2.根据权利要求1所述的多源扰动下四旋翼无人机预定义时间轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在预定义时间非奇异终端滑模控制器公式中，当eφ→0时，Λφ→∞，引入饱和函数satσ(·)用于限制奇点函数Λ1的幅度，从而保证姿态跟踪误差在预定义时间内收敛到0。
【技术特征摘要】
1.多源扰动下四旋翼无人机预定义时间轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤:
2.根据权利要求1所述的多源扰动下四旋翼无人机预定义时间轨迹跟踪控制方法，其特...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。