[发明专利]四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质

说明书

本方法涉及一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质，所述方法包括以下步骤：基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学模型；基于四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量，建立全局渐进收敛观测器；基于全局渐进收敛观测器的观测状态量，建立滑模延时估计控制器，输出控制量。通过基于误差四元数表示姿态，建立了四旋翼无人机的姿态动力学模型，利用全局渐进收敛观测器对系统的状态量进行观测，而该观测器具有参数整定简单、对于噪声干扰不敏感、对系统参数摄动具有更好的鲁棒性等特点，并基于滑模延时估计控制器对四旋翼无人机的姿态进行控制，使得对四旋翼无人机的姿态控制具有更好的控制性能和有效性。

技术领域

本发明涉及四旋翼无人机技术领域，特别涉及一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质。

背景技术

四旋翼无人机具有垂直起降、定点悬停、机动性强、操作灵活等特点，现已被广泛应用到搜索营救、战场侦查、火场勘察、交通管制等军事及民用领域。现有的四旋翼无人机姿态控制器的姿态数学模型通常是建立在限定姿态角的变化率等于绕机体轴角速度的条件下，即默认机体轴角速度到欧拉角的转换关系矩阵为单位矩阵，然而这种默认的条件只有在飞行器悬停或者小角度飞行时才是合理的。但是，考虑四旋翼无人机应用在军事等领域时，可能需要飞行器做大角度机动飞行，即转换关系矩阵不为单位矩阵时，基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值问题，同时考虑在不依赖控制系统全状态反馈和系统精确模型条件下，四旋翼无人机在飞行过程中遭遇不确定性干扰的问题。

发明内容

为此，需要提供一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质，解决现有四旋翼无人机的姿态动力学模型中基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值的问题，以及在不依赖控制系统全状态反馈和系统精确模型条件下，四旋翼无人机在飞行过程中遭遇不确定性干扰的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法，包括以下步骤：

基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学模型；

基于四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量，建立全局渐进收敛观测器；

基于全局渐进收敛观测器的观测状态量，建立滑模延时估计控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。

进一步优化，所述“基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学模型”具体包括以下步骤：

确定四旋翼无人机的数学模型ω为在体坐标E_B下相对于惯性坐标E_I的角速度，且J为四旋翼无人机的转动惯量矩阵，且U为四旋翼无人机的控制力矩，且D为合外力矩M_T中除控制力矩U之外其他的力矩，有界且导数存在，S(·)为对称矩阵；

根据欧拉角参数化及XYZ轴转动顺序，得到转换矩阵

基于单位四元数替代欧拉角描述转换矩阵R，得到基于单位四元数的转换矩阵简化得单位四元数为q₀为单位四元数的标量部分，为单位四元数的矢量部分，单位四元数q满足I₃为3×3单位矩阵；

基于单元四元数建立与机体坐标下的角速度ω的关系方程

根据四旋翼无人机的期望机体坐标系为E_Bd＝(x_Bd,y_Bd,z_Bd)，四旋翼无人机相对于惯性坐标E_I在期望机体坐标E_Bd下的期望角速度为ω_d，期望单位四元数为满足i＝0,1,2,3，得到期望机体坐标到惯性坐标的转换矩阵为R_d∈SO(3)，根据期望单元四元数得

根据期望四元数建立在期望机体坐标下的期望角速度ω_d的关系方程其中，