[发明专利]基于分数阶饱和函数幂次切换律的四旋翼飞行控制方法

说明书

本发明公开了一种基于分数阶饱和函数幂次切换律的四旋翼飞行控制方法，利用反步控制法将系统拆分为两个子系统，再分别用传统的反步控制方法和滑模控制方法对两个子系统设计满足李亚普诺夫定理的子控制律；具体讲，反步控制法是为了继承其完整性和统一性，滑模控制方法是为了提高鲁棒性和抗干扰能力；本发明在使用滑模控制方法时又引入了分数阶饱和函数幂次切换律，用以提高控制器性能，并抑制抖颤，这样保证四旋翼无人机的飞行控制的快速响应，同时，通过调整饱和函数参数，还能改善控制器的非线性特性，滤除控制器输出中的抖颤，提升控制器的平滑性。

技术领域

本发明属于四旋翼无人机技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于分数阶饱和函数幂次切换律的四旋翼无人机飞行控制方法。

背景技术

随着人们对智能化设备的需求越来越大，以及航空航天技术的快速发展，无人机从最初的军事、生产活动，开始走进人们的生活中。其中四旋翼无人机结构简单，飞行灵活，成本较低，受到了普通群众的青睐，也符合普通家庭的消费水准。并且四旋翼无人机具有垂直起降的功能，大大削弱了飞行器起飞降、落对场地的严苛需求。因此，四旋翼无人机成为了无人机研究领域中的一大热点，吸引了一大批科研工作者的注意力，致力于提高其飞行性能，并扩大其应用范围。

四旋翼无人机是欠驱动非线性系统，虽然机械结构相对简单，但由于各状态变量间较强的耦合性以及动力系统输出方向固定等原因，使其控制方法相对复杂。与四旋翼无人机相关的控制技术已经发展了一段时间，提出的控制方法多种多样，控制效果各异。但每种控制方法都必然存在限制其进一步提高的瓶颈，如专利《基于分数阶幂次切换律的四旋翼无人机飞行控制方法》(专利号：201711430426.0)中，虽然分数阶微积分理论的引入使控制器的控制速度变快，但是随着控制器中分数阶参数的变大，控制器的输出会发生抖颤现象。这种抖颤的根源是滑模控制方法的符号函数，但分数阶参数会将其进行放大，对控制器造成极大的负担，产生不可忽视的负面效果，影响控制器的稳定性。这个问题给四旋翼无人机控制方法的研究留下了提升的空间，如在控制器中加入饱和函数。

饱和函数是一种分段函数，其作用机理是根据输入，调整输出值。且在输入值达到指定标准后，输出值不再变化。饱和函数没有固定表达式，需要根据需求进行具体设计。饱和函数是用于改善系统非线性特性的常用工具，本发明将其与分数阶理论结合应用于提高无人机飞行控制器性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于分数阶饱和函数幂次切换律的四旋翼飞行控制方法，通过设计三个姿态角及高度控制器，来提高整数阶反步滑模控制器的性能。

为实现上述发明目的，本发明一种基于分数阶饱和函数幂次切换律的四旋翼飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、基于牛顿-欧拉方程对无人机进行动力学分析，并建立相应的动力学模型。无人机动力学模型包括平移运动模型和旋转运动模型，其中，平移运动模型为：

其中，(x,y,z)为无人机在地坐标系下的位置坐标，分别为x,y,z的二阶导，γ,μ,ρ分别是描述无人机的三个姿态角，即滚转角、俯仰角和偏航角，为图1中方便描述，统一用A[γ,μ,ρ]表示，F_T是旋翼产生的总升力，m是无人机总质量，g是重力加速度；

旋转运动模型为：

其中，I_x,I_y,I_z是无人机在x,y,z三个方向上的转动惯量，N_x,N_y,N_z是无人机三个轴方向的力矩；

(2)、分别设计三个姿态角对应的控制器