[发明专利]基于指令滤波反步法的四旋翼无人机稳定跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于指令滤波反步法的四旋翼无人机稳定跟踪控制方法，属于无人飞行器自动控制领域。该发明针对刚体四旋翼无人机的动态数学模型，其特征在于：包括如下步骤：步骤101、建立四旋翼无人机数学模型；步骤102、四旋翼无人机姿态控制系统；通过采用上述技术方案，该基于指令滤波反步法的四旋翼无人机稳定跟踪控制方法提出一类新型的指令滤波反步控制，解决传统反“计算膨胀”问题，与传统反步法相比，引入滤波器避免虚拟控制的复杂解析求导过程，构建的跟踪控制器简洁有效，有效解决“计算膨胀”问题，最后采用奇异扰动定理完成闭环系统的稳定性分析。

技术领域

本发明属于无人飞行器自动控制领域，特别是涉及一种基于指令滤波反步法的四旋 翼无人机稳定跟踪控制方法。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle)指无人驾驶、可自主飞行或遥控操作、利用空气动 力承载飞行并可回收重复使用的飞行器。它能够携带杀伤性或非杀伤性载荷，是当今世 界上军用武器发展的一个热点。同时，民用无人机产业的研发、制造和应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。随着无人机研制、生产成本的不断降低， 其应用范围日益广泛，具有旺盛的市场需求和广阔的发展前景，在国民经济建设中的作 用日益突出，将会成为支持中国经济发展的重要产业。无人机可分为固定翼无人机和旋 翼无人机两类。这两类无人机均依靠空气动力提供所需的力和力矩，但机制完全不同。 固定翼无人机依靠整个机体相对于空气的高速运动，获取所需的力和力矩，因此获得的 动力直接与机体的运动速度以及机体的姿态紧密相关。与之相比，旋翼无人机所需的力 和力矩是通过固定安装在机体上的旋翼的旋转获取，与机体当前运行速度、状态无关。 固定翼无人机工作时需要具有较大的速度，体积较大，且不能完成悬停、盘旋、巡航、 垂直起降等任务。旋翼无人机可有效地解决上述问题，在侦查、航拍等领域，旋翼无人 机应用越来越广泛。目前旋翼无人机中最常见、研究最深入、应用范围最广是四旋翼无 人机，其优势和特点包括：机械结构简单、控制方便灵活、操控性能高、小范围内可实 现各种动作、成本低、飞行性能良好、不需要配置反扭矩桨叶、机动能力好，可在狭小 的空间中稳定飞行。因此，四旋翼无人机在搜查营救、航拍、勘探、远程监视、高压电 线巡检等军用或者民用领域的任务执行获得越来越多的关注。

众所周知，四旋翼无人机的跟踪控制问题直接决定实际中的应用效果，因此对控制 的研究具有十分重要的意义。

国外研究现状：

国外在四旋翼无人机导航和控制的研究比国内起步早，其中较为著名的研究团队有 新西兰奥克兰大学的四旋翼无人飞行器平台，日本千叶大学的Kenzo实验室，美国斯坦福大学的STARMAC项目，美国麻省理工学院的ACL(Aerospace Controls Lab)实验室、 RRG(Robust Robotics Group)团队等。

(1)新西兰奥克兰大学的四旋翼无人飞行器平台

奥克兰大学的四旋翼无人飞行器硬件平台，如图所示，其机体为自制，尺寸大小为40厘米X 40厘米，质量为1.4千克。其动力装置为四个外转子无刷电机构成，起飞质量 能达到2.2千克。

奥克兰大学的四旋翼无人飞行器机载控制采用双控制器结构，一个为控制处理器， 一个为遥测处理器(两个控制器都采用Freescale HCS12微处理器)。传感器包括高度传感 器(压力测高传感器SMD500和声纳传感器MB 1040、定位传感器GPS<C04-4H)，位姿 传感器IMU(3DM-GX1)。

(2)日本千叶大学四旋翼无人飞行器硬件平台

千叶大学的四旋翼无人飞行器平台为室内室外通用型硬件平台。机体本身采用Ascending Technologies GmbH公司的X-3D-BL四旋翼飞行器，如图所示。机身质量为 400克，有效载荷为300克。其推进系统包括四个无刷电机和四副旋翼，其满载的飞行时 间为12分钟，空载飞行可达20分钟。