[发明专利]一种三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法

权利要求书

1.一种三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法,其特征在于,步骤包括建立三旋翼无人机非线性动力学模型，确定当前电机总升力向量F、当前位置ξ，当前姿态η，目标位置ξ_d，目标姿态η_d；当前位置由无人机机载传感器获得，与目标位置作差，得到跟踪误差，按照预先设计好的虚拟控制器v，实现位置跟踪控制；由虚拟控制器计算得到目标滚转角和目标俯仰角的具体表达式，与无人机记载传感器获得的当前姿态值对应作差，得到姿态跟踪误差，按照预先设计好的姿态控制器u，计算并更新姿态跟踪误差，直至误差趋近于0。

2.根据权利要求1所述三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法,其特征在于,步骤如下：

步骤1：建立三旋翼无人机动力学模型

动力学模型公式如下：

定义惯性坐标系{I}＝{I_x I_y I_z}、机体坐标系{B}＝{B_x B_y B_z},其中，m表示三旋翼无人机的质量；ξ＝[x y z]^T表示无人机相对于惯性坐标系{I}的位置向量，x表示无人机沿I_x轴的位置，y表示无人机沿I_y轴的位置，z表示无人机沿I_z轴的位置，表示求取ξ的二阶时间导数；F表示无人机的总升力；R表示无人机由机体坐标系{B}到惯性坐标系{I}的坐标转换矩阵；e₃＝[0 0 1]^T为一常数向量；g表示重力加速度；η＝[φ θ ψ]^T表示无人机相对于惯性坐标系{I}的姿态向量，Φ表示无人机绕I_x轴的滚转角，θ表示无人机绕I_y轴的俯仰角，ψ表示无人机绕I_z轴的偏航角，表示求取η的二阶时间导数；u＝[u_φ u_θ u_ψ]^T表示输入力矩向量，u_Φ表示滚转通道的输入力矩，u_θ表示俯仰通道的输入力矩，u_ψ表示偏航通道的输入力矩；T_d＝[T_dφ T_dθ T_dψ]^T表示未知时变扰动，T_dΦ表示滚转通道的扰动，T_dθ表示俯仰通道的扰动，T_dψ表示偏航通道的扰动，且T_dΦ、T_dθ、T_dψ均满足连续可微且二阶导数有界；

步骤2：定义控制目标变量和误差变量

定义目标位置、目标姿态、位置跟踪误差、姿态跟踪误差；

目标位置为ξ_d(t)＝[x_d(t) y_d(t) z_d(t)]^T，其中x_d(t),y_d(t),z_d(t)分别为无人机沿I_x，I_y，I_z轴的目标位置；

目标姿态为η_d(t)＝[φ_d(t) θ_d(t) ψ_d(t)]^T，其中Φ_d(t),θ_d(t),ψ_d(t)分别为无人机绕I_x，I_y，I_z轴的目标姿态；

位置跟踪误差为e_ξ(t)＝[e_x(t) e_y(t) e_z(t)]^T，其中e_x(t),e_y(t),e_z(t)分别为无人机沿I_x，I_y，I_z轴的位置跟踪误差；

姿态跟踪误差为e_η(t)＝[e_φ(t) e_θ(t) e_ψ(t)]^T，其中e_Φ(t),e_θ(t),e_ψ(t)分别为无人机绕I_x，I_y，I_z轴的姿态跟踪误差；

e_ξ(t)和e_η(t)分别为：

e_ξ＝ξ-ξ_d,e_η＝η-η_d.

定义新的误差信号为E_ξ和E_η分别为：

E_ξ和E_η求一阶时间导数：

其中，

向量Δ(η_d,e_η)为系统内外环之间的耦合项，v＝[v_x v_y v_z]^T为一虚拟控制输入，公式如下：求解得到期望控制输入、期望滚转角和期望俯仰角：

步骤3：设计位置控制器实现位置跟踪控制

针对位置控制，给出系统公式：

设计控制器：其中K_ξ为常数矩阵；

步骤4：设计姿态控制器实现姿态跟踪控制

定义滚转角跟踪误差滤波信号s_Φ,r_Φ分别为：

其中α_Φ，β_Φ均为正常数；

对r_Φ求一阶时间导数，并将步骤1中动力学模型公式代入，得到

设计控制器：

其中g_Φ,h_Φ均为正常数，sign(s_Φ)表示求s _Φ的符号；

步骤5：确定所设计控制器应满足的条件，对系统进行稳定性分析K_ξ满足A_ξ＝A₁-B_1ξ是赫尔维茨矩阵，位置跟踪误差矩阵E_ξ渐进收敛于0；

h_Φ满足滚转角跟踪误差e_Φ渐进收敛于0，其中||N_dΦ||表示求N_dΦ的范数，表示求取N_dΦ的一阶导数的无穷范数；对俯仰通道和偏航通道进行控制器设计，使得俯仰角和偏航角跟踪误差渐进收敛于0。