[发明专利]一种四旋翼无人机复合连续快速终端滑模姿态控制方法

权利要求书

1.一种四旋翼无人机复合连续快速终端滑模姿态控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

S1、建立四旋翼无人机姿态回路系统的受扰动力学模型；

S2、对作用在机身坐标系下的x轴、y轴和z轴的力矩τ_x、τ_y和τ_z进行三通道解耦，得到三通道虚拟力矩，并基于该三通道虚拟力矩建立四旋翼无人机姿态角跟踪误差动态的三通道解耦方程，所述三通道包括滚转通道、俯仰通道和偏航通道；

S3、针对S2中的三通道解耦方程，设计滚转通道、俯仰通道和偏航通道扩张状态观测器；

S4、设计四旋翼无人机姿态回路快速终端滑模面；

S5、对S2中的三通道虚拟力矩进行反解得到四旋翼无人机姿系统实际控制量，针对S2中无人机姿态角跟踪误差动态的三通道解耦方程，结合S3中的三通道扩张状态观测器观测的干扰估计信息以及S4中的四旋翼无人机姿态回路快速终端滑模面，设计三通道复合快速终端滑模虚拟控制器，实现四旋翼无人机姿态的控制；

所述S1中四旋翼无人机姿态回路系统的受扰动力学模型为：

其中，为Θ的一阶导数，φ表示四旋翼无人机的滚转角，θ表示四旋翼无人机的俯仰角，ψ表示四旋翼无人机的偏航角，s_φ为sinφ，c_φ为cosφ，c_θ为cosθ，t_θ为tanθ，其中w_x表示四旋翼无人机绕机身直角坐标系的x轴的旋转角速度，w_y表示四旋翼无人机绕机身直角坐标系的y轴的旋转角速度,w_z表示四旋翼无人机绕机身直角坐标系的z轴的旋转角速度；为Ω的一阶导数，J_x，J_y和J_z分别表示四旋翼无人机绕机身直角坐标系的x轴，y轴和z轴的转动惯量，τ_x、τ_y和τ_z分别表示作在用机身直角坐标系的x轴、y轴和z轴的力矩；D_x，D_y和D_z分别表示机身直角坐标系的x轴向、y轴向、z轴向的集总干扰；

所述S2中三通道解耦方程为：

其中，为滚转角指令跟踪误差e_φ的二阶导数、为俯仰角指令跟踪误差e_θ的二阶导数、为偏航角指令跟踪误差e_ψ的二阶导数；e_φ＝φ-φ^d、e_θ＝θ-θ^d，e_ψ＝ψ-ψ^d，φ^d、θ^d和ψ^d分别为滚转角、俯仰角和偏航角的期望指令；τ_φ、τ_θ、τ_ψ分别表示滚转通道、俯仰通道和偏航通道的虚拟力矩，f_A^φ、f_A^θ、f_A^ψ分别表示滚转、俯仰和偏航三通道解耦方程中的交叉耦合非线性项，分别表示滚转、俯仰和偏航三通道解耦方程中的集总干扰，τ_φ、τ_θ、τ_ψ，f_A^φ、f_A^θ、f_A^ψ和的表达式为：

其中为W的一阶导数，为Θ_d的二阶导数，Θ_d＝[φ_d θ_d ψ_d]^T为期望的姿态角，T表示矩阵转置，J^-1为J的逆矩阵；

所述S3中具体为：

建立滚转通道扩张状态观测器，估计

其中，为滚转通道集总干扰估计值，和为滚转通道扩张状态观测器内部动态，为的一阶导数，为的一阶导数，为的一阶导数；和为滚转通道扩张状态观测器增益，和取值均为正常数且满足特征多项式s为变量；

建立俯仰通道扩张状态观测器，估计

其中，为俯仰通道集总干扰估计值，为俯仰通道扩张状态观测器内部动态，为的一阶导数，为的一阶导数，为的一阶导数，和为俯仰通道扩张状态观测器增益，和取值均为正常数且满足特征多项式

建立偏航通道扩张状态观测器，估计

其中，为偏航通道集总干扰估计值，为偏航通道扩张状态观测器内部动态，为的一阶导数，为的一阶导数，为的一阶导数，和为偏航通道扩张状态观测器增益，和均为正常数且满足特征多项式

所述S4中四旋翼无人机姿态回路快速终端滑模面为：

滚转通道快速终端滑模面σ_φ为：

其中，α₁，β₁，h₁，g₁，p₁和q₁均为正奇数，且α₁＞0,β₁＞0,为e_φ的一阶导数；

俯仰通道快速终端滑模面σ_θ为：

其中，α₂，β₂，h₂,g₂,p₂和q₂均为正奇数，且α₂＞0,β₂＞0，为e_θ的一阶导数；

偏航通道快速终端滑模面σ_ψ为：

其中，α₃，β₃，h₃，g₃，p₃和q₃均为正奇数，且α₃＞0,β₃＞0,为e_ψ的一阶导数；

所述S5中三通道复合快速终端滑模姿态控制器包括滚转通道虚拟力矩控制器，俯仰通道虚拟力矩控制器和偏航通道虚拟力矩控制器；

所述滚转通道虚拟力矩控制器为：

其中为正实数，m₁,n₁为正奇数，且

所述俯仰通道虚拟力矩控制器为：

其中为正实数,m₂,n₂为正奇数，且

所述偏航通道虚拟力矩控制器为：

其中为正实数,m₃,n₃为正奇数，且