[发明专利]基于分数阶幂次切换律的四旋翼无人机飞行控制方法

摘要

本发明公开了一种基于分数阶幂次切换律的四旋翼无人机飞行控制方法，控制器整体使用反步控制结构，将四旋翼无人机的二阶非线性系统拆分为两个子系统，并分别构建满足李亚普诺夫稳定性理论的控制律，并通过虚拟中间控制变量将二者串联成为一完整控制器，使控制器能够很好的适配系统的非线性，且具有良好的完整性；同时，为了增强控制器的抗扰动能力和鲁棒性，在第二次反步设计时，对被控变量进行滑模控制设计，引入滑模控制的高抗扰能力、强鲁棒性。

主权项

一种基于分数阶幂次切换律的四旋翼无人机飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、基于牛顿‑欧拉原理对无人机进行动力学分析建立无人机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：x··=(sinμcosγcosρ+sinγsinρ)FTmy··=(sinμcosγcosρ-sinγsinρ)FTmz··=(cosμcosγ)FTm-g]]>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，FT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：γ··=Iy-IzIxμ·ρ·+NxIxμ··=Iz-IxIyγ·ρ·+NyIyρ··=Ix-IyIzγ·ρ·+NzIz]]>其中，Ix,Iy,Iz是无人机在x,y,z三个方向上的转动惯量，Nx,Ny,Nz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(2.1)、对滚转角γ进行误差分析：设实际滚转角γ与期望值γd的误差为：Eγ1＝γ‑γd；将Eγ1与滚转角误差阈值ζ比较，若Eγ1小于阈值ζ，则表示四旋翼无人机飞行系统稳定，并结束；反之则进入步骤(2.2)；(2.2)、设计等效控制律取虚拟控制变量其中，是滚转角期望值的导导数数，c1为正常数；定义误差信号定义滑模控制的滑模面：Sγ(t)＝Eγ2；对滑模面Sγ(t)求导，得：根据滑模控制稳定性理论，令得到等效控制律：(2.3)、设计基于分数阶理论的切换控制律其中，kγ＞0，0≤q＜1，为常系数，Γ()是伽玛函数，f(t)泛指函数，是符号函数，且(2.4)、根据等效控制律和基于分数阶理论的切换控制律设计滚转角γ对应的控制器Uγ(2.5)、同理，按照步骤(2.1)‑(2.4)所述方法设计俯仰角和偏航角对应的控制器Uμ和Uρ(3)、设计高度方向控制器(3.1)、对高度z进行误差分析：设实际高度z与期望值zd的误差为：Ez1＝z‑zd；将Ez1与高度误差阈值比较，若Ez1小于阈值则表示四旋翼无人机飞行系统稳定，并结束；反之则进入步骤(3.2)；(3.2)、设计等效控制律取虚拟控制变量其中，是高度期望值的导数，c4为正常数；定义误差信号并引入滑模控制的滑模面：Sz(t)＝Ez2；对滑模面Sz(t)求导，得：根据滑模控制稳定性理论，令得到等效控制律：(3.3)、设计基于分数阶理论的切换控制律其中，εz＞0，kz＞0，0≤q＜1，且(3.4)、根据等效控制律和基于分数阶理论的切换控制律设计高度z对应的控制器Uz(4)、利用设计后的三个姿态角及高度对应的控制器重新跟踪滚转角、俯仰角、姿态角和高度，如果误差均小于其对应的阈值，则表明四旋翼无人机已进入稳定飞行状态，并用上述设计的控制器对四旋翼无人机进行飞行控制，保证无人机正常运行；反之则返回步骤(2)。