[发明专利]一种控制受限下的四旋翼轨迹跟踪最优控制方法

权利要求书

1.一种控制受限下的四旋翼轨迹跟踪最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、建立基于总扰动和虚拟控制量的四旋翼无人机位置与姿态动力学模型；

S20、采用位置环与姿态环解耦控制的框架，将四旋翼无人机位置与姿态动力学模型转化为基于全驱系统的四旋翼姿态误差系统和四旋翼位置误差系统；

S30、采用具有抗噪声和微分平滑功能的跟踪微分器获得四旋翼无人机的各阶数参考信号，并通过扩张状态观测器将总扰动项扩张为状态量进行观测估计，实现对四旋翼姿态误差系统和四旋翼位置误差系统中未知时变参数项的观测估计；

S40、针对四旋翼姿态误差系统和四旋翼位置误差系统分别设计对应的自抗扰参数化跟踪控制器，将其转化为等价的闭环一阶线性定常误差系统，使四旋翼无人机位置与姿态动力学模型基于参考信号全局渐进稳定；

S50、基于所述自抗扰参数化跟踪控制器在考虑控制输入受限条件下建立最优参数整定优化问题及其非线性状态不等式约束；

S60、通过约束转录法将非线性状态不等式约束处理为单维的状态积分不等式约束，使步骤S50建立的最优参数整定优化问题转化为可求解的优化问题P_r；

S70、采用梯度法求解该优化问题P_r，对自抗扰参数化跟踪控制器进行优化整定，实现四旋翼无人机轨迹跟踪最优控制。

2.根据权利要求1所述的控制受限下的四旋翼轨迹跟踪最优控制方法，其特征在于，所述步骤S10中四旋翼无人机位置与姿态动力学模型为：

其中，(x,y,z)为四旋翼地面坐标系下的位置坐标，(φ,θ,ψ)为四旋翼欧拉角，分别为滚转角、俯仰角与偏航角，J_x,J_y,J_z为四旋翼无人机绕机体各轴的转动惯量，m为四旋翼无人机的质量，g为重力加速度常数，D_i,i＝x,y,z,φ,θ,ψ为四旋翼无人机的总扰动，U_i,i＝1,2,3,4为如下定义的虚拟控制量

式中，k_l为四旋翼无人机的升力系数，l为四旋翼无人机机体中心与电机间的臂长，k_ψ为旋翼偏航方向的电机反扭矩系数，ω_i,i＝1,2,3,4为四旋翼无人机四个螺旋桨的转速。

3.根据权利要求2所述的控制受限下的四旋翼轨迹跟踪最优控制方法，其特征在于，所述步骤S20中采用位置环与姿态环解耦控制的框架得到四旋翼位置误差系统和姿态误差系统分别为

其中，F_x,F_y,F_z为等价的位置环虚拟控制量，(x_c,y_c,z_c),(φ_c,θ_c,ψ_c)分别为位置和姿态参考信号，