[发明专利]基于反步和滑模控制的非线性鲁棒控制器的设计方法

权利要求书

1.一种基于反步和滑模控制的非线性鲁棒控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取四旋翼无人机的实际位置轨迹、位置参考轨迹和偏航角参考轨迹；根据实际位置轨迹和位置参考轨迹依次建立关于各个状态变量的跟踪误差动态子系统，所有的跟踪误差动态子系统组成跟踪误差动态系统；所述状态变量包括姿态角及其一阶导数、位置及其一阶导数；

步骤2，根据步骤1建立的跟踪误差动态系统，设计能够保证误差系统稳定并且收敛的反馈渐近跟踪的反步滑模控制器；所述反步滑模控制器利用反步控制的思想为跟踪误差动态系统的每一个跟踪误差动态子系统设计相应的虚拟控制量和滑模面，逐层保证跟踪误差动态子系统的稳定性和动态性能，直到获取能够保证位置轨迹跟踪能力并且关于姿态角状态和实际输入的虚拟控制量；

步骤3，对步骤2得到的虚拟控制量进行算术求逆，求取四旋翼无人机姿态角期望值,该姿态角期望值包括滚转角期望轨迹、俯仰角期望轨迹和四旋翼无人机的第四控制分量；

步骤4，针对步骤3得到的滚转角期望轨迹、俯仰角期望轨迹以及步骤1获取的偏航角参考轨迹分别设计基于常速趋近的姿态角常规滑模跟踪控制器，根据该姿态角常规滑模跟踪控制器得到四旋翼无人机的滑模控制律，所述滑模控制律包括第一控制分量、第二控制分量以及第三控制分量；

步骤5，四旋翼无人机在根据步骤3得到的第四控制分量以及步骤4得到的滑模控制律的作用下对位置参考轨迹和偏航角参考轨迹进行跟踪，进而实现干扰下的非线性四旋翼无人机的鲁棒轨迹跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的基于反步和滑模控制的非线性鲁棒控制器的设计方法，其特征在于：所述步骤1中的四旋翼无人机的非线性模型为：

其中，是系统的状态变量；其物理含义依次是姿态角(φ,θ,ψ)及其一阶导数位置(x,y,z)及其一阶导数可整体表示如下φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，a₁,a₂,a₃,…a₁₁是规范化的已知常值参数；是在线辨识值，g是重力加速度，U₁,U₂,U₃,U₄是系统的实际控制输入量，U₁,U₂,U₃,U₄按顺序依次为第一控制分量、第二控制分量、第三控制分量以及第四控制分量，S_(·)和C_(·)分别表示三角正弦和余弦函数。

3.根据权利要求2所述的基于反步和滑模控制的非线性鲁棒控制器的设计方法，其特征在于：所述步骤2中的虚拟控制量为：

其中，v_2i-1，v_2i为虚拟控制量，i＝1,2,3，v_2i-1在获取v_2i之间已经确定并且其一阶导数可以通过对v_2i-1进行一阶微分滤波获取，z₇、z₉、z₁₁分别是位置(x,y,z)与其期望轨迹的跟踪误差，且z₇＝x_7r-x₇，z₉＝x_9r-x₉，z₁₁＝x_11r-x₁₁；x_7r、x_9r、x_11r分别是位置(x,y,z)的参考轨迹，ρ₂、ρ₄、ρ₆是位置(x,y,z)的可选的常值正实数，s_p1、s_p2、s_p2分别是滑模面，其中下标p的表示滑模面是为位置状态量的跟踪而设计的滑模面。