[发明专利]一种适用于四旋翼飞行器的滑模重复控制器

说明书

一种适用于四旋翼飞行器的滑模重复控制器，首先对常用的指数趋近律进行改进，利用高次函数和对数函数设计一种新型的改进趋近律，然后对四旋翼飞行器的动力学模型进行离散化以适合数字控制器的设计，再通过虚拟控制量解耦位置坐标和姿态角，并针对位置子系统和姿态子系统分别设计离散滑模重复控制器，以克服周期性干扰，实现飞行器对于给定轨迹的跟踪控制。本发明便于控制算法在数字芯片上的实现，使得飞行器控制系统具有鲁棒性的同时，具有良好的重复性轨迹运行性能，解决了趋近律稳态抖振问题，实现四旋翼飞行器的解耦控制。

技术领域

本发明涉及重复控制技术，尤其适用于四旋翼飞行器对周期性位置指令的跟踪控制。

背景技术

四旋翼飞行器是一种四个螺旋动力机构以十字交叉、同一平面固定排列的飞行装置。其机械结构简单、操控灵活、体积小、成本低，易于实现无人驾驶、定点悬停或者垂直起降等功能，近年来在民用和军事等多个领域得到了广泛应用。

四旋翼飞行器通过四个电机旋转产生升力，通过对角电机之间的转差形成偏航、俯仰和滚转力矩。升力和三种力矩共同作用实现飞行器地理位置和飞行姿态的控制。因此，四旋翼飞行器具有四个输出，六个输出，是一种典型的欠驱动、非线性、强耦合的多输入多输出系统。这使得飞行器控制器的设计相对比较困难。Gonzalez-vazquez S等人利用传统的PID控制方法实现了四旋翼飞行器的位置和姿态控制，但是很难同时缩短瞬态响应时间和降低超调量，且多输入多输出系统的控制器多参数整定依赖于设计者的经验，难以推广应用(Gonzalez-vazquez S,Moreno-valenzuela J.A new nonlinear PI/PID controllerfor quadrotor posture regulation.Electronics,Robotics and AutomotiveMechanics Conference(CER-MA).Morelos,Mexico:IEEE,2010:642–647.)。近年来，一些复杂控制策略被用于四旋翼飞行器的控制以求取得更好的效果。Tao Jiang等人设计了有限时间收敛的反步控制方法并提供输入去饱和措施用于四旋翼飞行器的跟踪控制，但是存在系统鲁棒性不足的问题，需要引入误差积分项进行补偿(Tao Jiang,Defu Lin,TaoSong.Finite-time backstepping control for quadrotors withdisturbances andinput constraints.IEEE Access,2018,6:62037-62049.)。Fuyang Chen等人结合滑模控制方法与反步控制方法设计了四旋翼飞行器控制器。先通过滑模控制快速调速姿态角，然后采用反步控制方法进行位置环控制，实现了笛卡尔坐标下的轨迹跟踪控制(FuyangChen,Rongqiang Jiang,Kangkang Zhang,Bin Jiang.Robust Backstepping Sliding-Mode Control and Observer-Based Fault Estimation for a Quadrotor UAV.IEEETransactions on Industrial Electronics,2016,63(8):5044-5056)。

四旋翼飞行器在执行诸如航拍、农药喷洒等任务时，常常具有在固定区间内重复操作、周期性运行的特性，同时需要克服不同气象条件的干扰。这种周期性飞行轨迹往往造成飞行器运行过程中具有相同周期的外部干扰。上述工作通过建立四旋翼飞行器的连续数学模型，主要考虑欠驱动系统的控制量解耦问题、控制算法的收敛速度和实际驱动器的输入饱和等问题，没有将飞行器重复执行任务过程中的周期运行特性运用到控制器设计中。

发明内容

为了提高四旋翼飞行器在执行重复性轨迹跟踪任务时的控制精度，本发明提供一种适用于四旋翼飞行器的滑模重复控制器，便于控制算法在数字芯片上的实现，使得飞行器控制系统具有鲁棒性的同时，具有良好的重复性轨迹运行性能，解决了趋近律稳态抖振问题，实现四旋翼飞行器的解耦控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：