[发明专利]一种基于全局稳定的四旋翼飞行器滑模控制方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行控制技术领域，具体设计涉及一种基于全局稳定的四旋翼飞行器滑模控制方法，它是针对欠驱动的四旋翼飞行器模型，而给出的一种基于全局稳定的轨迹跟踪滑模控制方法，用于四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制。

背景技术

四旋翼飞行器是具有6个自由度，4个控制输入的欠驱动系统，具有非线性、高阶次和强耦合等特点。由于四旋翼飞行器在现代生活及战争中的重要性，其控制问题受到了国内外学者的重视。

近年来，许多先进的控制方法被用到四旋翼飞行器轨迹跟踪控制中，比如将飞行器模型分解为多个级联子系统，应用反演法、自适应控制和欠驱动滑模控制等方法独立地设计使子系统分别稳定的控制律。现有的大部分方法中，系统的稳定性是基于子系统分析的，由于飞行器子系统间耦合关系过于复杂，对于控制器设计过程中考虑系统全局稳定性的方法较少。通过引入动态系统全局渐近稳定定理，设计虚拟有界控制输入，将子系统构造成具有全局Lipschitz稳定的闭环系统，并与滑模控制相结合，解决了此类系统的控制律设计过程复杂且全局稳定性难以证明的问题。

本发明给出了一种基于全局稳定的四旋翼飞行器滑模控制方法，用于控制飞行器的轨迹，采用这种控制不仅保证了闭环系统的全局稳定性，还大大简化了控制器设计过程，并具有很好的抗干扰能力。

发明内容

本发明的目的是：针对四旋翼飞行器系统，克服现有控制技术的不足，给出一种基于全局稳定的四旋翼飞行器滑模控制，它通过引入动态系统全局渐近稳定定理，设计了虚拟有界控制输入，将系统欠驱动部分构造成具有全局Lipschitz稳定的闭环系统，并与滑模控制相结合，实现对四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制。

本发明是一种基于全局稳定的四旋翼飞行器轨迹跟踪滑模控制方法，其设计思想是：针对四旋翼飞行器模型，首先，将其简化并分解为全驱动子系统和欠驱动子系统。之后采用滑模控制方法设计全驱动子系统控制器，针对系统欠驱动子系统,基于动态系统全局渐近稳定定理，通过设计具有全局Lipschitz的闭环系统，实现了具有内外环严格稳定性的双环轨迹跟踪滑模控制。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于全局稳定的四旋翼飞行器滑模控制方法，四旋翼飞行器闭环控制系统示意图如图1。其方法步骤如下：

步骤一：四旋翼飞行器系统模型分析

四旋翼飞行器系统模型描述如下：

其中：x表示四旋翼飞行器的x坐标；

y表示四旋翼飞行器的y坐标；

z表示四旋翼飞行器的z坐标；

θ表示四旋翼飞行器的俯仰角；

ψ表示四旋翼飞行器的滚转角；

Ф表示四旋翼飞行器的偏航角；

F_i(i＝1,2,3,4)表示四旋翼飞行器的四个电机分别产生的推力；

K_i(i＝1,2,3,4，5,6)为飞行器空气阻力系数；

J_i(i＝1,2,3)为飞行器的转动惯量；

L为旋翼中心到质心的距离；

m为飞行器质量；

g为重力加速度；

步骤二：四旋翼飞行器系统模型简化及分解

由于飞行器在低速时空气阻力可以忽略，因此假定空气阻力系数为零。飞行器低速飞行时不考虑空气阻力系数，为书写方便，将输入定义为：

其中，C为牵引比例因子，u₁表示飞行器在z轴上的总推力；u₂和u₃是飞行器俯仰和滚转控制输入，u₄为飞行器偏航控制输入。

四旋翼飞行器系统模型简化为

根据公式(3)将系统模型划分为全驱动子系统和欠驱动子系统两部分。其中，全驱动子系统为偏航通道，偏航通道模型为:

欠驱动子系统模型为:

步骤三：四旋翼飞行器控制器设计

四旋翼飞行器轨迹及姿态控制内部结构如图2所示，系统针对全驱子系统部分设计滑模控制器，使得偏航角能够快速响应的。系统欠驱动部分的外环航迹跟踪是由内环姿态角决定的。利用动态系统全局渐近稳定定理，设计虚拟有界控制输入，得到目标姿态角输出至内环控制器，由内外环共同得到航迹、俯仰角和滚转角的控制量并输出至飞行器模型。为了保证各子系统收敛，通过Lyapunov函数进行收敛性分析，其具体实现过程如下：