[发明专利]基于非奇异快速终端滑模的四旋翼无人机视觉伺服控制方法

权利要求书

1.一种基于非奇异快速终端滑模的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、利用安装在四旋翼无人机底部的摄像头采集图像信息，利用惯性测量单元获取无人机的姿态角φ,θ, 及角速度信息；

其中φ为翻滚角，θ为俯仰角，为偏航角；

S2、使用透视投影的方法来提取地面目标的特征点，通过选取图像特征，并重新构建一个虚拟图像平面，来导出所述图像特征的视觉动态；选取用来控制位移运动的图像特征q为：

q＝[q_x q_y q_z]^T，

其中，符号T表示矩阵转置,v表示虚拟图像平面，(^vu_g,^vn_g)表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k),k∈{1:N}形成的凸状图像的形心坐标，a表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k)形成的凸状图像的面积，a_d是a的期望值,λ为摄像头的焦距；

并且用来控制偏航角的图像特征q_ψ为：

其中，^vμ_ij表示虚拟图像平面v中N个图像特征点(^vu_k,^vn_k)形成的凸状图像的中心距，

S3、根据图像动态分别设计四旋翼飞行器的位置及姿态控制器，包括外环位置控制器和内环姿态控制器，利用步骤S2提取的图像动态q、q_ψ和给定的期望的图像特征设计非奇异快速终端滑模控制器，分别控制四旋翼无人机的位置和姿态，实现四旋翼无人机的自主飞行；所述的非奇异快速终端滑模s选取为：

其中，σ₁和σ₂为正常数，且参数p、q、l满足和关于变量x的数学符号x^[l]的表达式为x^[l]＝|x|^lsign(x)，sign表示符号函数，为变量x的导数，数学符号的表达式为以及

S4、在仿真环境下，为四旋翼无人机设计视觉伺服控制系统，选取参数进行仿真，并对仿真结果进行分析；构建所述四旋翼无人机的视觉伺服数学模型和仿真平台，在所述仿真平台中形成目标轨迹，建立所述四旋翼无人机的六自由度运动模型，获得四旋翼无人机的仿真模型；在所述仿真模型的基础上，对控制器进行仿真及参数优化，实现预设的收敛性。

2.根据权利要求1所述的基于非奇异快速终端滑模的四旋翼无人机视觉伺服控制方法，其特征在于，所述构建一个虚拟图像平面的具体方法包括：构建惯性坐标系I＝{O_i,X_i,Y_i,Z_i}和机体坐标系B＝{O_b,X_b,Y_b,Z_b}，并假设相机坐标系C＝{O_c,X_c,Y_c,Z_c}与机体坐标系重合；重新构建一个虚拟相机坐标系V＝{O_v,X_v,Y_v,Z_v}，其偏航角与相机坐标系相同，翻滚角φ和俯仰角θ为0，使在距离虚拟坐标系O_v焦距λ长度处生成的虚拟图像平面与地面平行。