[发明专利]一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法

说明书

一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法，针对要求采用电机电压控制实现对参考指令快速跟踪以及兼具强鲁棒性的四旋翼系统，利用快速终端滑模函数，设计一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法。快速终端滑模面的设计是为了实现系统的有限时间收敛，在远离或接近平衡点时都可以保持较快的收敛速度。同时，考虑电机电压作为控制量有重要的实际意义。本发明提供一种在电机电压控制下，具有强鲁棒性，能够快速收敛的控制方法，实现系统的稳定控制。

技术领域

本发明涉及一种考虑电机电压的四旋翼飞行器系统姿态控制方法，特别是要求采用电机电压控制实现对参考指令快速跟踪以及兼具强鲁棒性的四旋翼飞行器姿态控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器依靠四个螺旋桨的旋转实现姿态的变换，由于其简单的结构、灵活的机动性，在商业娱乐、工业监测以及军事侦查等诸多领域得到广泛运用，但空气阻力以及内部建模不确定性等诸多因素使得四旋翼飞行器的姿态控制具有一定的难度。如何实现四旋翼飞行器姿态控制的稳定性、快速性是当前学术界研究的热点领域。应用于四旋翼飞行器姿态控制问题的控制方法主要有LQR控制、PID控制、反步控制以及滑模控制等。

滑模控制最根本的特点在于控制的非连续性，此特性使得被控系统进入特定区域，即设计的滑模面之后，会沿着既定的轨迹做滑模运动。当被控系统的状态正处于滑模运动时，便不再受外部小扰动或者模型参数不确定等因素的影响，即系统在滑模控制下具有良好的鲁棒性。

然而，在实际运用中，由于时间及空间开关等存在一定滞后以及计算机采样等因素的影响，系统处于滑模运动时具有抖振。因此，滑模切换面的选取决定了被控系统在滑动阶段的动态品质。快速终端滑模在终端滑模面的基础上，修正非线性项，当被控系统远离平衡点时主要以传统线性滑模的速度收敛，当被控系统接近平衡点时主要以终端滑模的速度收敛，使得被控系统始终能保持理想的收敛速度。因此，快速终端滑模不仅保留了滑模控制方法不受外部干扰的强鲁棒性，还在实现有限时间快速收敛的前提下减小了抖振现象。

同时，现有的四旋翼飞行器控制方法主要基于转矩形式，而实际工程应用的控制输入量是以电机电压的形式。因此，如何通过控制电机电压来达到控制四旋翼飞行器姿态有重要的实际意义。基于上述原因，如何设计考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法具有良好的应用前景。

发明内容

为了实现对参考指令的快速跟踪以及控制性能的强鲁棒性，本发明提供一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法，减小抖振现象，提高系统收敛速度，保证系统强鲁棒性。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立基于电机电压的四旋翼飞行器姿态模型，初始化四旋翼姿态信息、采样时间以及控制参数的过程如下：

步骤1，建立基于电机电压的四旋翼飞行器姿态模型，初始化四旋翼姿态信息、采样时间以及控制参数的过程如下：

1.1在不考虑外部干扰的情况下，电机电压作为控制输入，给出基于电机电压的四旋翼飞行器系统姿态模型：

其中，分别表示偏航角加速度、俯仰角加速度、翻滚角加速度；J_y、J_p、J_r分别代表偏航轴转动惯量、俯仰轴转动惯量以及翻滚轴转动惯量，K_t是推力转矩常数，K_f是推力常数，L是螺旋桨电机和枢轴的距离，u₁、u₂和u₃分别表示四旋翼飞行器偏航角、俯仰角以及翻滚角的控制量；

步骤2，计算四旋翼控制系统姿态跟踪误差，设计快速终端滑模面函数，过程如下：

2.1定义系统姿态跟踪误差列向量e为