[发明专利]具有输入时滞的四旋翼无人机反步控制方法

说明书

具有输入时滞的四旋翼无人机反步控制方法，针对四旋翼飞行器的动力学系统，选择一种障碍李雅普诺夫函数，利用Pade逼近引入中间变量，消除输入时滞对系统的影响，设计了一种具有输入时滞的四旋翼飞行器反步控制方法。障碍李雅普诺夫函数可以使系统的输出误差限制在一定的范围内，避免过大的超调，同时还能减少到达时间。Pade逼近可以处理系统的输入时滞使控制信号及时对被控量做出相应的控制,从而改善四旋翼飞行器系统的动态响应性能。本发明的四旋翼无人机反步控制方法可以使控制信号及时对被控量做出相应的控制,从而改善四旋翼飞行器系统的控制。

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，具体为一种具有输入时滞的四旋翼无人机反步控制方法。

背景技术

四旋翼无人机，指无人驾驶、可自主飞行或遥感控制操作、利用空气动力学承载飞行并可回收利用的飞行器。具有重量轻、控制简单、体积小、飞行灵活等特点，可广泛应用于测量、侦察、救灾等各个领域。从结构上看，四旋翼无人机为刚性交叉结构，四个电机固定在刚性结构的末端。通过控制电机转速和调节旋翼产生的升力，可以改变四旋翼无人机的姿态和位置。在功能上，四旋翼无人机作战灵活，不受作战场地的限制，可以在室内垂直起降，可以承担一些环境复杂、飞行空间相对狭窄的飞行任务。因此，四旋翼无人机具有巨大的应用前景。在无人机控制系统中,产生时滞的影响因素多种多样，在控制精度要求极高的飞控系统信号测量和控制中，时滞的存在导致控制信号无法及时对被控量做出相应的控制，毫秒级别的时间误差都会带来无法预测的后果，甚至导致系统发散而引发事故，对生命和财产安全带来巨大隐患。

发明内容

本发明的目的具体为一种具有输入时滞的四旋翼无人机反步控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

针对四旋翼飞行器的动力学系统，选择一种障碍李雅普诺夫函数，利用Pade逼近引入中间变量，消除输入时滞对系统的影响，设计了一种具有输入时滞的四旋翼飞行器反步控制方法。

针对姿态和位置子系统，在反推控制框架下，分别设计预定性能反推控制器。由于输入时滞的存在，使得系统的控制器的构造相对麻烦。在反推设计过程中利用Pade逼近方法和一个中间变量来消除输入时滞对系统的影响，通过构造合适障碍李雅普诺夫函数，设计控制器，可以使系统的输出误差限制在一定的范围内，避免过大的超调，同时还能减少到达时间。使四旋翼无人机系统能够按期望的姿态和轨迹实现稳定的飞行。

本发明的技术方案具体如下：

一种具有输入时滞的四旋翼无人机反步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)建立四旋翼无人机系统的动态模型，设定系统的初始值、采样时间以及相关控制参数，过程如下:

对四旋翼无人机进行飞行动力学建模，动力学模型的线性形式为:

其中为翻滚角；θ为俯仰角；ψ为偏航角；m为无人机机体总质量；U₁为垂直通道的输入量；τ为未知输入时滞；l为螺旋桨中心到四旋翼中心的距离；I_x，I_y，I_z分别为四旋翼对于机体坐标系三轴的转动惯量，且都为常量；g表示重力加速度。

步骤(2)利用Pade逼近引入虚拟变量，处理系统的输入时滞

2.1利用拉普拉斯变换的时滞定理，

其中是u(t)的拉普拉斯变换，υ是拉普拉斯变量。

2.2引入中间变量δ₂，满足

2.3利用拉普拉斯逆变换，可得