[发明专利]基于预设性能控制的预设时间四旋翼无人机姿态跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于预设性能控制的预设时间四旋翼无人机姿态跟踪方法，该方法包括：建立四旋翼无人机的姿态子系统误差动力学模型；根据四旋翼无人机的姿态子系统误差动力学模型确定四旋翼无人机的姿态轨迹跟踪控制方案。本发明可保证系统的跟踪误差在预设时间内收敛到预设的界内，并能有效保证跟踪控制过程中的超调量和收敛速度等暂态性能满足预设的条件。

技术领域

本发明涉及四旋翼无人机技术领域，尤其涉及一种基于预设性能控制的预设时间无人机姿态轨迹跟踪方法。

背景技术

随着微机电系统及机载计算机的发展，小型无人机近年来发展迅速。四旋翼无人机是一种垂直起降无人机，它通过四个电机带动旋翼的旋转产生升力，依靠改变不同电机的转速实现俯仰、滚转、偏航等动作。由于四旋翼无人机尺寸小、行动灵活、机动性强，并能实现定点悬停和狭小空间起降，这些特点使其被广泛应用到军事和民用领域。正因如此，目前对四旋翼无人机飞行控制的要求越来越高。而四旋翼无人机是一个典型的强耦合非线性系统，一旦在飞行过程中受到风力等外部环境的干扰，飞行稳定性就会急剧下降，严重的甚至会导致坠机。因此，如何保证在受到外部干扰的影响下仍能保证快速、稳定的轨迹跟踪，成为四旋翼无人机控制领域的热点问题。

随着控制理论的发展，目前已经有多种算法被设计并被应用到四旋翼无人机的控制中并取得了良好的控制效果。传统的控制算法例如PID(一种自动控制方法)控制能保证系统的渐进稳定性，且具有一定的鲁棒性。申请公布号CN 105739300 B的发明专利提出了一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法，但由于其稳定时间趋于无穷且对扰动强的控制系统效果不佳，该方案受到限制。针对该问题，有限/固定时间控制方案近年来被广泛研究。申请公布号CN 110058520 A的发明专利针对具有模型不确定性和外部扰动的二阶非线性系统设计一种基于扩张状态观测器的固定时间收敛输出反馈控制方案，保证闭环系统误差在固定时间收敛到原点。与传统的控制方案相比，该方案在稳定速度、稳定精度方面有了很大的提高，但有限/固定时间控制方案仅能估计收敛时间的上界，换而言之，其所估计的收敛时间总是长于系统真正的收敛时间的。针对此问题，相关技术提出了预设时间控制的概念，保证系统在存在匹配不确定项的情况下在预设的时间内达到稳定，且在该时间点收敛到0。但若传感器测得的系统状态存在噪声，则会出现一种类奇异问题。为解决该问题，则不得不牺牲系统的性能，故收敛过程中系统轨迹的收敛速率、超调量等暂态性能以及稳态性能都无法保证。预设性能控制是希腊学者Bechlioulis等人在2008年首次提出的一种控制方法。该方法在保证跟踪误差收敛到一个预先设定的区域的同时，保证超调量和收敛速度等瞬态响应满足预先设定的条件，提高了系统的控制性能。申请公布号CN 111813140 A的发明专利公开了一种具有高精度的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，通过将预设性能函数纳入到控制律设计过程中,实现了高精度的轨迹跟踪控制。

针对上述问题，本发明提出一种基于预设性能控制的预设时间四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，保证系统状态误差在预设时间内收敛到原点的同时保证误差在收敛过程中一直保持在给定的界内。

综上所述，四旋翼无人机在执行某些精确的任务时需要在指定的时刻跟踪上期望的轨迹，但现有的有限/固定时间控制方案无法保证该控制目标。因此研究预设时间控制显得尤为重要。而在实际控制系统中，系统状态或多或少都会存在测量误差，此时设计的预设时间控制方案会产生一个类奇异问题。为解决该问题，则必须牺牲系统的性能，故此时需要引入预设性能控制同时保证系统的暂态和稳态性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于预设性能控制的预设时间四旋翼无人机姿态跟踪方法，以在预设时间内确保控制系统的跟踪误差收敛到预设区域内，并能有效保证跟踪控制过程中的超调量和收敛速度等暂态性能和稳态性能。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：