[发明专利]基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制方法

说明书

本发明公开了自适应积分反步的四旋翼飞行器控制方法，属于自动控制技术领域。本发明包括双闭环控制结构，外环为位移控制器，由高度控制器和水平位移控制器所组成，分别由z、y、x的期望值z_d、y_d、x_d与其实际反馈值做差后，经过自适应积分反步控制算法求出控制高度和水平位移的输入项即U₁，u_x和u_y，再进入内环即姿态控制器，由u_x和u_y反解算出俯仰和横滚两个姿态角的期望值φ_d、θ_d，与实际反馈值做差，而后经过积分反步控制算法，获得控制俯仰角和横滚角的输入项即U₂，U₃，控制航向角的输入项U₄也如此。

技术领域

本发明涉及基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

过去二十年中，无人机在世界各地的军民两用领域都得以扩大应用。无人机目前用于军事各个部门，从侦查，监测，情报收集到战场损害评估等。民用领域包括遥感，运输，勘探和科学研究等。由于航空领域多样化的使命，无人机发挥越来越重要的作用。

反步法(Backstepping)是以Lyapunov控制理论为基础，要求系统方程为严反馈形式，一种由前向后递推的设计方法。其主要优点是可以与自适应技术结合使用。自适应控制一般以不同程度的不确定性为研究对象，通过量测信号对被控对象的未知参数进行在线估计，从而实时改变控制器的输入。将自适应控制与反步法相结合，应用于飞行器的飞行控制上，比传统的反步法有了明显的抗干扰性，飞行更稳定，鲁棒性更强。积分反步法是在传统的反步法基础上添加了跟踪误差的积分项，以此来弥补稳态误差，用于控制飞行器稳定飞行，但在飞行器受到外界扰动时，表现稍差。

发明内容

为了克服上述的不足，本发明提出了将自适应控制与积分反步法相结合，应用到受外界环境干扰的飞行器的轨迹跟踪上，既可以减少稳态误差，又可以提高飞行器自身的飞行抗干扰性，大大增强了飞行器的鲁棒性。

本发明采取的技术方案如下：

基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制方法，包括双闭环控制结构，外环为位移控制器，由高度控制器和水平位移控制器所组成，分别由z、y、x的期望值z_d、y_d、x_d与其实际反馈值做差后，经过本发明提出的自适应积分反步控制算法求出控制高度和水平位移的输入项即U₁，u_x和u_y，再进入内环即姿态控制器，由u_x和u_y反解算出俯仰和横滚两个姿态角的期望值φ_d、θ_d，与实际反馈值做差，而后经过积分反步控制算法，获得控制俯仰角和横滚角的输入项即U₂，U₃，控制航向角的输入项U₄也如此。

高度控制器的设计方法如下：

针对二阶系统：

首先，定义一个跟踪误差以及其积分项：

定义为Z方向上的扰动的估计值，为实际的扰动值与扰动估计值的误差，即

一般情况，阵风假定扰动在数值上是未知的和不可测量的，而且是时不变的时不变的，故

定义一个Lyapunov函数：