[发明专利]一种单旋翼无人飞行器的单向滑模控制方法

摘要

本发明公开了一种单旋翼无人飞行器的单向滑模控制方法，利用飞行器控制系统中角速率回路、欧拉角回路、速度回路和位置回路四个控制回路的仿射非线性方程来设计每个回路的单向滑模控制器，利用这四个单向滑模控制器来实现对单选翼无人飞行器的控制，该方法在确保控制器中滑模趋近律当且仅当系统状态位于原点处为0的基础上，解决滑模控制方法中的抖振问题，并且控制器具有良好的鲁棒性和控制性能。

主权项

1.一种单旋翼无人飞行器的单向滑模控制方法，该方法基于飞行器控制系统中角速率回路、欧拉角回路、速度回路和位置回路四个控制回路组成的控制系统实现，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一、将飞行器中角速率回路、欧拉角回路、速度回路和位置回路分别转换为式（1）的仿射非线性方程x·=f(x)+g(x)u---(1)]]>其中，x∈Rⁿ、u∈Rⁿ分别是子系统状态向量和控制向量，f(x)∈Rⁿ、g(x)∈R^n×n是状态x的平滑函数；根据角速率回路、欧拉角回路、速度回路、位置回路各自的状态向量与控制向量，结合式（1）确定该四个回路具体的仿射非线性系统方程为：A、位置回路的仿射非线性系统方程：Σ·e=fp(Σe)+gp(Σe)σC]]>式中，Σ_e=[x_e,y_e,z_e]^T为位置回路的状态误差，x_e,y_e,z_e为地面坐标轴系下X、Y、Z方向无人飞行器的位置误差信号，f_p（Σ_e）∈Rⁿ、g_p（Σ_e）∈R^n×n是状态Σ_e的平滑函数；σ_C为速度回路的指令信号；B、速度回路的仿射非线性系统方程：u·e=fu(ue)+gu(ue)θs]]>v·e=fv(ve)+gv(ve)φs]]>w·e=fw(we)+gw(we)δcol]]>式中，u_e、v_e、w_e分别为机体坐标轴系下X、Y、Z方向的速度误差，f_u（u_e）∈Rⁿ、g_u（u_e）∈R^n×n是状态u_e的平滑函数，θ_s=sinθ_c，θ_c为俯仰角指令信号；f_v（v_e）∈Rⁿ、g_v（v_e）∈R^n×n是状态v_e的平滑函数；φ_s=sinφ_c，φ_c为滚转角指令信号；f_w（w_e）∈Rⁿ、g_w（w_e）∈R^n×n是状态w_e的平滑函数；δ_col为主转子控制输入；C、欧拉角回路的仿射非线性系统方程：Ω_e=[φ_e,θ_e,ψ_e]^T为欧拉角回路的状态误差，φ_e,θ_e,ψ_e为滚转角、俯仰角和偏航角的误差，f_E（Ω_e）∈Rⁿ、g_E（Ω_e）∈R^n×n是状态Ω_e的平滑函数；ω_c为角速率指令信号；D、角速率回路的仿射非线性系统方程：ω_e=[p_e,q_e,r_e]^T为角速率回路的状态误差，p_e,q_e,r_e分别为滚转角速率、俯仰角速率和偏航角速率的误差，f_a（ω_e）∈Rⁿ、g_a（ω_e）∈R^n×n是状态ω_e的平滑函数，M_C为控制力矩；步骤二、分别设计角速率回路、欧拉角回路、速度回路和位置回路的单向滑模控制器，具体为：(2-1)根据式（1）的仿射非线性方程确定该系统的单向滑模控制器如下：u=g(x)-1(-f(x)+Ω1-1·N-Ω1-1·Ω2·x)---(2)]]>式中，Ω₁、Ω₂为单向辅助面的设计参数，N为单向滑模的去抖振趋近率；（2-2）结合式（2）和四个回路的状态向量与控制向量确定该四个回路的具体的单向滑膜控制器为：位置回路的单向滑模控制器为：σ_c=g_p(Σ_e)^-1(-f_p(Σ_e)+Ω_p1^-1·N_p-Ω_p1^-1·Ω_p2·Σ_e)；式中，Ω_p1、Ω_p2为位置回路单向辅助面的设计参数，N_p为位置回路单向滑模的去抖振趋近率；速度回路的单向滑模控制器为：θ_c=arcsin(g_u(u_e)^-1(-f_u(u_e)+Ω_u1^-1·N_u-Ω_u1^-1·Ω_u2·u_e))φ_c=arcsin(g_v(v_e)^-1(-f_v(v_e)+Ω_v1^-1·N_v-Ω_v1^-1·Ω_v2·v_e))δ_col=g_w(w_e)^-1(-f_w(w_e)+Ω_w1^-1·N_w-Ω_w1^-1·Ω_w2·w_e)式中，Ω_u1、Ω_u2为针对速度回路误差状态u_e的单向辅助面设计参数；Ω_v1、Ω_v2为速度回路误差状态v_e的单向辅助面设计参数；Ω_w1、Ω_w2为速度回路误差状态w_e的单向辅助面设计参数；N_u、N_v、N_w分别为速度回路中针对误差状态u_e，v_e，w_e设计的单向滑模去抖振趋近率；欧拉角回路的单向滑模控制器为：ω_c=g_E(Ω_e)^-1(-f_E(Ω_e)+Ω_E1^-1·N_E-Ω_E1^-1·Ω_E2·Ω_e)式中，Ω_E1、Ω_E2为欧拉角回路单向辅助面的设计参数；N_E为欧拉角回路单向滑模的去抖振趋近率；角速率回路的单向滑模控制器为：M_c=g_a(ω_e)^-1(-f_a(ω_e)+Ω_a1^-1·N_a-Ω_a1^-1·Ω_a2·ω_e)式中，Ω_a1、Ω_a2为角速率回路单向辅助面的设计参数；N_a为角速率回路单向滑模的去抖振趋近率；步骤三、利用步骤二中四个回路的单向滑模控制器实现对无人飞行器的控制，具体为；（3-1）获取无人飞行器的位置误差信号并将该位置误差信号输入到位置回路的单向滑模控制器中输出速度回路的指令信号；其中，无人飞行器的位置误差信号通过地面坐标轴系中无人飞行器当前位置信号减去预先设定的轨迹指令信号获得；（3-2）将当前速度信号减去速度回路的指令信号得到速度误差，并将该误差发送到速度回路的单向滑模控制器中输出机体坐标轴系下的滚转角指令信号、俯仰角指令信号和主轴转子指令信号；分别将当前滚转角、俯仰角、偏航角减去滚转角指令信号、俯仰角指令信号以及预先设计的偏航角指令信号，得到滚转角误差信号、俯仰角误差信号和偏航角误差信号，并将这三个误差信号发送到欧拉角回路的单向滑模控制器中输出角速率指令信号，将主轴转子指令信号发送至无人飞行器指令接收器；（3-3）将当前角速率信号减去角速率指令信号得到角速率误差信号，并将该误差发送到角速率回路的单向滑模控制器中输出翼动角指令信号和尾转子指令信号，将上述指令信号发送至无人飞行器指令接收器，实现无人飞行器对轨迹指令和欧拉角的跟踪。