[发明专利]一种四旋翼无人飞行器的状态受限控制方法和系统

摘要

本发明公开了一种四旋翼无人飞行器的状态受限控制方法，所述方法包括：步骤1)获取t时刻飞行器的位置信息、速度信息、姿态信息和角速度信息；步骤2)根据理想轨迹计算t时刻的位置跟踪误差和速度跟踪误差，并由此设计t+1时刻位置中间控制律F；步骤3)根据t+1时刻的位置中间控制率F，设计t+1时刻的控制升力T；步骤4)根据t+1时刻的控制升力T，计算飞行器t+1时刻的理想姿态和理想角速度；步骤5)根据理想姿态和理想角速度计算姿态误差和角速度误差；步骤6)设计t+1时刻的姿态中间控制律β，并由此设计t+1时刻的控制力矩Γ，使飞行器在t+1时刻达到理想姿态和理想角速度。本发明的方法利用单位四元数对飞行器姿态进行描述，提高了计算效率；并提高了控制精度。

主权项

1.一种四旋翼无人飞行器的状态受限控制方法，所述方法包括：步骤1)获取t时刻飞行器的位置信息、速度信息、姿态信息和角速度信息；步骤2)根据理想轨迹计算t时刻的位置跟踪误差和速度跟踪误差，并由此设计t+1时刻位置中间控制律F；步骤3)根据t+1时刻的位置中间控制率F，设计t+1时刻的控制升力T；步骤4)根据t+1时刻的控制升力T，计算飞行器t+1时刻的理想姿态和理想角速度；步骤5)根据理想姿态和理想角速度计算姿态误差和角速度误差；步骤6)设计t+1时刻的姿态中间控制律β，并由此设计t+1时刻的控制力矩Γ，使飞行器在t+1时刻达到理想姿态和理想角速度；所述步骤2)具体为：设t时刻的飞行器的位置信息为p，速度信息为v，理想轨迹信息分别为p_d与v_d，定义位置跟踪误差为速度跟踪误差为则t+1时刻位置中间控制律F为：其中k_b1,k_b2＞0，为位置跟踪误差与速度跟踪误差所容许的最大设定值，k^z＞0为控制增益；所述步骤3)具体为：将F投影到惯性坐标系中表示为：F＝(F_x,F_y,F_z)^T，则控制升力T为：其中，m为飞行器的质量；所述步骤4)具体为：定义单位四元数为四旋翼飞行器的理想姿态，η_d为Q_d的标量部分，ω_d为飞行器的理想角速度；则η_d为：根据单位四元数运动学方程，理想角速度为ω_d为：其中，I₃为三阶的单位对角矩阵，S(q_d)为3×3斜对称矩阵：所述步骤5)具体为：设t时刻的飞行器的姿态信息为单位四元数Q＝(q^T,η)^T＝(q₁,q₂,q₃,η)^T，q＝(q₁,q₂,q₃)^T为Q的矢量部分，η为Q的标量部分；角速度信息为ω＝(ω_x,ω_y,ω_z)^T；以飞行器的姿态Q建立的坐标系为飞行器的本体坐标系，以飞行器的理想姿态Q_d建立的坐标系为飞行器的理想坐标系，则飞行器的本体坐标系与理想坐标系之间的姿态误差以及角速度误差为：其中，为理想坐标系到机体坐标系的旋转矩阵，其中：R(Q)＝(η²‑||q||²)I₃+2qq^T‑2ηS(q)R(Q_d)＝(η_d²‑||q_d||²)I₃+2q_dq_d^T‑2η_dS(q_d)Q＝(q^T,η)^T＝(q₁,q₂,q₃,η)^T，q＝(q₁,q₂,q₃)^T，ω＝(ω_x,ω_y,ω_z)^T；所述步骤6)具体为：定义矩阵为：I_f为惯性矩阵，设计的姿态中间控制律为：其中，k^β＞0为控制增益，列向量设计控制力矩Γ为：其中，中间变量Ω：k^Ω＞0为控制增益，M₁为对角矩阵：设t＝0时，的前三项分别为：则k_b31、k_b32、k_b33都为大于零的常数，且满足