[发明专利]一种四旋翼无人飞行器的状态受限控制方法和系统

说明书

本发明公开了一种四旋翼无人飞行器的状态受限控制方法，所述方法包括：步骤1)获取t时刻飞行器的位置信息、速度信息、姿态信息和角速度信息；步骤2)根据理想轨迹计算t时刻的位置跟踪误差和速度跟踪误差，并由此设计t+1时刻位置中间控制律F；步骤3)根据t+1时刻的位置中间控制率F，设计t+1时刻的控制升力T；步骤4)根据t+1时刻的控制升力T，计算飞行器t+1时刻的理想姿态和理想角速度；步骤5)根据理想姿态和理想角速度计算姿态误差和角速度误差；步骤6)设计t+1时刻的姿态中间控制律β，并由此设计t+1时刻的控制力矩Γ，使飞行器在t+1时刻达到理想姿态和理想角速度。本发明的方法利用单位四元数对飞行器姿态进行描述，提高了计算效率；并提高了控制精度。

技术领域

本发明涉及无人飞行器领域，具体涉及一种四旋翼无人飞行器的状态受限控制方法和系统。

背景技术

四旋翼无人飞行器是一种由四个电机驱动旋翼飞行的小型无人飞行器，具有机动性强、结构紧凑、可以垂直起降以及空中悬停等优点，近年来在诸多领域得到了广泛的应用。同时，由于其系统内部所具有的欠驱动特性：控制输入具有四个而被控量具有六个，使得对四旋翼无人飞行器控制系统的设计分析具有一定的难度，因此在理论研究方面，四旋翼无人飞行器的控制器设计与分析也是一个研究热点。

现有的四旋翼无人飞行器的模型大多采用欧拉角来对姿态进行描述，会发生欧拉奇异现象，使控制律失效；同时，欧拉角进行姿态描述会引入三角函数运算，使得系统的分析更为复杂；其次，现有的控制方法仅能够保证误差的收敛性能，而对动态过程的误差变化情况没有进行考虑，虽然系统稳定，但是误差在跟踪过程时可能已经超出了容许范围，不能满足控制要求，使得控制方案失效；此外，在常规的控制技术中，对系统的模型进行了简化，不仅引入了建模误差，而且仅仅保证了位置和姿态的各自的稳定性，并没有对位置与姿态之间的耦合进行分析，闭环系统的稳定性没有得到证明。

发明内容

本发明的目的在于克服目前四旋翼无人飞行器的控制方法存在的上述缺陷，考虑到单位四元数具有计算效率高，便于系统的设计与分析等优点，本发明的方法采用单位四元数对飞行器姿态进行描述，避免了欧拉奇异现象，在设计控制律时引入了barrier约束函数，使得系统的误差被限制在指定的范围内，保证了轨迹跟踪的精度。

为实现上述目的，本发明提出了一种四旋翼无人飞行器的状态受限控制方法，所述方法包括：

步骤1)获取t时刻飞行器的位置信息、速度信息、姿态信息和角速度信息；

步骤2)根据理想轨迹计算t时刻的位置跟踪误差和速度跟踪误差，并由此设计t+1时刻位置中间控制律F；

步骤3)根据t+1时刻的位置中间控制率F，设计t+1时刻的控制升力T；

步骤4)根据t+1时刻的控制升力T，计算飞行器t+1时刻的理想姿态和理想角速度；

步骤5)根据理想姿态和理想角速度计算姿态误差和角速度误差；

步骤6)设计t+1时刻的姿态中间控制律β，并由此设计t+1时刻的控制力矩Γ，使飞行器在t+1时刻达到理想姿态和理想角速度。

上述技术方案中，所述步骤2)具体为：

设t时刻的飞行器的位置信息为p，速度信息为v，理想轨迹信息分别为p_d与v_d，定义位置跟踪误差为速度跟踪误差为

则t+1时刻位置中间控制律F为：

其中k_b1,k_b2＞0，为位置跟踪误差与速度跟踪误差所容许的最大设定值，k^z＞0为控制增益。

上述技术方案中，所述步骤3)具体为：