[发明专利]四旋翼无人机的固定时间控制方法

权利要求书

1.一种四旋翼无人机的固定时间控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立四旋翼无人机的动力学模型，计算俯仰角与横滚角的目标跟踪值；

步骤2：基于步骤1建立的动力学模型，设计跟踪误差性能函数，实现预定性能，并对跟踪误差进行转换；

步骤3：设计固定时间扩张状态观测器，并计算固定时间T_FxTESO；

步骤4：基于步骤2的跟踪误差性能函数，和步骤3的固定时间扩张状态观测器，设计固定时间非奇异终端滑模控制器，并计算固定时间T_FxTNTSMC。

2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机的固定时间控制方法，其特征在于：步骤1中，俯仰角与横滚角的目标跟踪值的计算方式如下：

四旋翼无人机的动力学模型可以表示为

其中，s(·)，c(·)分别为sin(·)，cos(·)的缩写；(x，y，z)，分别表示四旋翼无人机的位置和姿态角(横滚、俯仰、偏航)；g为重力加速度；为外部扰动；I_x，I_y，I_z分别为沿x，y，z轴的转动惯量；u_i(i＝1，2，3，4)为控制输入，为了简化计算，令

其中，(u_x，u_y，u_z)表示虚拟控制量，即可得到俯仰角和横滚角的目标跟踪值为

3.根据权利要求1所述的四旋翼无人机的固定时间控制方法，其特征在于：所述步骤2中的跟踪误差转换方式如下：针对四旋翼无人机的各位置(x，y，z)和姿态角控制通道，不失一般性地将其转化为以下二阶系统：

其中，和存在且连续，分别为控制输入与系统输出，b₀＞0为已知常数；d(t)为外部干扰；f(x)为非线性连续函数；将d(t)当作新的状态变量并估计，可以得到扩张状态系统：

其中，有界，z_i(t)(i＝1，2，3)分别表示x_i(t)(i＝1，2，3)的观测值，跟踪误差σ(t)＝x_d(t)-z(t)，为了保证更好的瞬态性能，取误差性能指标函数为

λ(t)＝(λ(0)-λ(∞))e^-lt+λ(∞)

其中，l为常数，0＜|σ(0)|＜λ(0)，0＜λ(∞)＜λ(0)，设计跟踪误差为

σ(t)＝λ(t)F(ε(t))

跟踪误差性能函数F(ε(t))需满足以下几点要求：

(1)F(ε(t))是一个光滑且连续的单调递增函数；

(2)-1＜F(ε(t))＜1；

(3)lim_ε(t)→+∞F(ε(t))＝1，lim_ε(t)→-∞F(ε(t))＝-1；

根据上述要求，可令易得-λ(t)＜σ(t)＜λ(t)，因此，跟踪误差收敛集为E＝{σ(t)∈R：|σ(t)|≤λ_∞(t)}，跟踪误差σ(t)转换为ε(t)，

其中，ε，σ和λ分别为ε(t)，σ(t)和λ(t)的缩写，对ε求导可得

其中，