[发明专利]基于网络控制的四旋翼飞行器控制方法

说明书

本发明公开了一种基于网络控制的四旋翼飞行器控制方法，用于解决四旋翼飞行器控制中存在时延的技术问题，首先将四旋翼飞行器模型分解为位置子系统和姿态子系统，同时针对通信时延对姿态子系统稳定性的影响，提出时延补偿方案，并利用Truetime工具箱建立时延补偿方案的系统模型，并对提出的方案进行验证。通过仿真验证，将网络控制运用到通信时延下的四旋翼飞控系统上具有一定的可行性和有效性。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞行器控制方法，尤其涉及一种基于网络控制的四旋翼飞行器控制方法。

背景技术

在无人机领域，四旋翼飞行器具有可悬停、造价低廉、体积小、可低空飞行、噪声低、控制灵活等优点。因此在军事和民用上都有广泛应用，如：喷洒农药、航空拍摄、安全巡逻、交通监管、地震救援等等。

由于飞行器的操控人员无法在机体上监控飞行器的状态，因此只能在地面上监测飞行器的飞行状态并控制其飞行任务，地面站通过建立双向通信链路，来负责监测飞行器的各种飞行数据和飞行状态，同时还为地面人员提供指令输入接口，让操控人员可以发送各种指令数据给飞行器。用于采集地面或周围数据的飞行器会碰到各式各样复杂的环境，此时参数会随之发生变化，还会产生对飞行器与地面站通信造成干扰的问题，这些因素都或多或少地降低了飞行器的飞行稳定性。

四旋翼飞行器和地面站之间是通过无线信号进行通信的，无线信号的强弱直接影响了四旋翼飞行器系统定位的准确性，由于无线信号在空气中传播是有损耗的，而且各种障碍物会对无线信号造成反射、折射现象，这使得整个系统中不可避免的存在通信时延，而四旋翼无人机对实时性要求很高，为了对四旋翼飞行器进行准确的运动控制，无时延的姿态控制是必要的。要实现对四旋翼飞行器准确的位姿估计，就要补偿系统中各种不同时长的通讯时延。在现有方法中很少考虑四旋翼飞行器在多种工作环境下与地面站的通讯时延问题，这导致无人机在远距离控制和执行任务时很难实现。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于网络控制的四旋翼飞行器控制方法，用于解决四旋翼飞行器控制中存在时延的技术问题。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于网络控制的四旋翼飞行器控制方法，包括步骤：

(1)建立四旋翼飞行器的动力学模型；

(2)解耦成姿态子系统和位置子系统，对子系统的各个通道设计状态空间模型；

(3)每个状态空间模型构造具有通信时延情况的状态反馈控制器；

(4)构造事件触发机制，包括满足该事件触发机制时，对控制器中触发时刻进行更新；

(5)求解事件触发机制在通信时延下实现稳定控制的充分条件；

(6)构造满足充分条件的状态反馈增益矩阵；

(7)搭建基于TrueTime工具箱的网络控制系统模型。

所述步骤(1)中，动力学模型为：

其中，x,y,z表示地面坐标系中的坐标值；φ,θ,ψ分别表示横滚角、俯仰角、偏航角；u_th,u_φ,u_θ,u_ψ分别表示垂直、横滚、俯仰、偏航方向上的虚拟控制输入量；g表示重力引起的加速度；m表示四旋翼飞行器的质量；I_xx,I_yy,I_zz分别表示横滚轴、俯仰轴、偏航轴的惯性转动惯量；K_t,K_m分别表示升力系数、阻力系数；l表示四旋翼臂长。

所述步骤(3)中，具有通信时延的状态反馈控制器为：

u(t)＝Kx(t),K＜0