[发明专利]一种四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法

权利要求书

1.一种四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：

基于期望位置及其对应的速度和加速度以及实时采集的实际位置及其对应的速度和角度，采用位置速度控制环，实时估计该环路的扰动，并基于该扰动的估计量，计算无人机的合力控制量以及参考第一角度及其对应的角速度和角加速度，其中，所述第一角度为横滚角度和俯仰角度，该环路的扰动估计误差在固定时间内收敛到零；

基于所述参考第一角度及其对应的角速度和角加速度、期望第二角度其对应的角速度和角加速度以及实际角度及其对应的角速度，采用姿态角控制环，实时估计该环路的扰动，并基于该扰动的估计量，分别计算无人机绕机体坐标系x、y、z轴转动的力矩控制量，其中，所述第二角度为偏航角度，该环路的扰动估计误差在固定时间内收敛到零；

基于所述合力控制量和所述力矩控制量，控制无人机轨迹跟踪，其中，无人机的角度、角速度误差以及位置、速度误差均在固定时间内收敛到零；

所述位置速度控制环包括用于使得该环路的扰动估计误差在第一固定时间T₁内收敛到零的状态估计器，表示为：

其中，为该环路的实际扰动D₁的估计量，在初始时刻t₀，该环路的实际扰动量D₁为零，L₁为该环路的实际扰动各分量变化率的上界；k_i,i＝1,2,3为控制增益常数；k₂＞0,k₃＞4L₁,0＜μ₁＜1,λ₁＞1，v为无人机的实际速度矢量，v_d为无人机的期望速度矢量，g为重力加速度，u₁为所述合力控制量，e_z表示大地坐标系下z轴的单位矢量，m为无人机质量，R∈R^3×3为依次以机体坐标系的z、y、x顺序旋转的旋转矩阵，a_d为无人机的期望加速度矢量；

则所述第一固定时间T₁表示为：

所述合力控制量u₁表示为：

其中，α_i＞0,β_i＞0,0＜n_i＜m_i,0＜p_i＜q_i,i＝1,2，m_i,n_i,p_i,q_i均为正奇数；p为无人机的实际位置，p_d为无人机的期望位置，e_v为无人机的速度误差，S₁为该环路的预设滑模面；

所述姿态角控制环节包括用于使得该环路的扰动估计误差在第二固定时间T₂内收敛到零的间状态估计器表示为：

其中，为WD₂的估计量，D₂为该环路的实际扰动，L₂为该环路的实际扰动各分量变化率的上界，在初始时刻t₀，该环路的实际扰动量D₂为零，W为坐标系变换矩阵，I为单位矩阵，Ω为机体坐标系下的实际角速度矢量，为在大地坐标系下的无人机的期望角速度矢量，τ'为该环的滑模控制律；k_i,i＝4,5,6为控制增益常数，k₅＞0,k₆＞4L₂,0＜μ₂＜1,λ₂＞1；

则所述第二固定时间T₂表示为：

所述无人机绕机体坐标系x、y、z轴转动的力矩控制量分别为u₂、u₃、u₄，表示为：[u₂,u₃,u₄]^T＝τ；τ＝I^-1Wτ'；

其中，α_i＞0,β_i＞0,0＜n_i＜m_i,0＜p_i＜q_i,i＝3,4，m_i,n_i,p_i,q_i均为正奇数；Θ为在大地坐标系下的无人机的实际角度矢量，Θ_d为在大地坐标系下的无人机的期望角度矢量，为在大地坐标系下的无人机的期望角加速度矢量，为W的导数，S₂为该环路的预设滑模面。