[发明专利]一种基于自适应有限时间控制的四旋翼飞行器控制方法

权利要求书

1.一种基于自适应有限时间控制的四旋翼飞行器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立四旋翼飞行器系统模型，所述四旋翼飞行器系统模型包括位置子系统模型和姿态子系统模型；

S2、设计四旋翼飞行器自适应有限时间位置控制器；

S3、设计四旋翼飞行器自适应有限时间姿态控制器；

S4、根据所设计的位置控制器、姿态控制器来控制飞行器的电机转速从而控制飞行器的飞行；

S1的具体操作步骤包括：

S11、通过下述方程对位置子系统模型进行描述：

χ＝(x,y,z)^T∈R³表示四旋翼飞行器的实际位置，Φ＝(φ,θ,ψ)^T∈R³表示四旋翼飞行器的实际欧拉角姿态，R³表示三维的向量空间，其中，

x表示四旋翼飞行器的x坐标，表示x的一阶导数，表示x的二阶导数；y表示四旋翼飞行器的y坐标，表示y的一阶导数，表示y的二阶导数；z表示四旋翼飞行器的z坐标，表示z的一阶导数，表示z的二阶导数；φ表示四旋翼飞行器的横滚角，θ表示四旋翼飞行器的俯仰角，ψ表示四旋翼飞行器的偏航角；m表示四旋翼飞行器的质量，g表示重力加速度，T表示由四旋翼飞行器产生的总的升力，K₁,K₂,K₃表示空气动力阻尼系数；

S12、通过下述方程对姿态子系统模型进行描述：

其中，表示φ的一阶导数，表示φ的二阶导数；表示θ的一阶导数，表示θ的二阶导数；表示ψ的一阶导数，表示ψ的二阶导数；

l表示四旋翼飞行器中心到电机轴线之间的距离，c为恒定的力矩系数，τ＝(τ₁,τ₂,τ₃)∈R³表示由电机转动产生的力矩，K₄,K₅,K₆表示空气动力阻尼系数，d＝(d₁(t),d₂(t),d₃(t))∈R³表示未知的时变外部扰动，J₁,J₂,J₃表示转动惯量；

S2包括如下具体操作步骤：

通过下述公式对自适应有限时间位置控制器进行描述：

其中，u_x为x通道的虚拟控制信号，u_y为y通道的虚拟控制信号，u_z为z通道的虚拟控制信号；x_d表示四旋翼无人机的x轴期望位置，y_d表示四旋翼无人机的y轴期望位置，z_d表示四旋翼无人机的z轴期望位置；为x_d的一阶导数，为x_d的二阶导数，为y_d的一阶导数，为y_d的二阶导数，为z_d的一阶导数，为z_d的二阶导数，α₁、α₂、k_p、k_d均为控制器参数，且0＜α₁＜1，α₂＝2α₁/(1+α₁)，k_p＞0，k_d＞0；

γ₁，γ₂，λ₁，λ₂为控制器参数，0.5＜γ₁＜1,γ₂＝2γ₁-1,λ₁,λ₂是合适的正增益，分别是对坐标x，y，z的估计值，分别是的一阶导数，分别是的一阶导数，为空气动力阻尼系数的估计值；

m表示四旋翼飞行器的质量，g表示重力加速度，T表示由四旋翼飞行器产生的总的升力；

S3的具体操作步骤包括：

通过下述公式对自适应有限时间姿态控制器进行描述：

其中，φ表示四旋翼飞行器的横滚角，表示φ的一阶导数，表示φ的二阶导数；θ表示四旋翼飞行器的俯仰角，表示θ的一阶导数，表示θ的二阶导数；ψ表示四旋翼飞行器的偏航角，表示ψ的一阶导数，表示ψ的二阶导数；φ_d为期望的横滚角，θ_d为期望的俯仰角，ψ_d＝0为期望的偏航角；

l表示飞行器中心到电机轴线之间的距离，c为恒定的力矩系数，τ＝(τ₁,τ₂,τ₃)∈R³表示由电机转动产生的力矩，是空气动力阻尼系数的已知部分，是转动惯量的已知部分；

为φ_d的一阶导数，为φ_d的二阶导数，为θ_d的一阶导数，为θ_d的二阶导数，为ψ_d的一阶导数，为ψ_d的二阶导数，β₁、β₂、a_p、a_d均为控制器参数，且0＜β₁＜1，β₂＝2β₁/(1+β₁)，a_p＞0，a_d＞0；

ρ₁，ρ₂为控制器参数，ρ₂＞L₂，0＜p＜1为常数，L₂为正常数，且满足分别是对的观测值，分别是φ，θ，ψ的一阶导数，是对总干扰d_i,i＝φ,θ,ψ,的观测值，是的一阶导数。