[发明专利]一种三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法

说明书

本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法。本发明针对三旋翼无人机在未知时变扰动下的跟踪控制问题，采用内外环分析方法，外环位置控制采用线性反馈控制器，内环位置控制采用鲁棒误差符号积分控制器。该方法能够实现对未知时变扰动的有效补偿，同时实现对无人机的目标跟踪控制。实验结果表明，该方法对三旋翼无人机目标跟踪控制具有较好的鲁棒性，无人机能够较快地克服外部扰动影响，保持位姿稳定。

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法。

背景技术

近年来，多旋翼无人机在高空摄影、灾后救援、环境监测等军事和民用领域得到越来越广泛的应用。与传统四旋翼无人机、六旋翼无人机不同，三旋翼无人机通常由三个电机和一个舵机组成，结构更简单、成本更低、能耗更小、机动性更强。

三旋翼无人机依靠三个电机的转动和一个尾部舵机的偏转实现俯仰、滚转、偏航等动作，是一个典型的具有四输入六输出的欠驱动系统。针对此类欠驱动系统位姿控制器的设计，当前应用较为广泛的方法主要包括反步法和“内外环”控制方法。反步法将系统动力学模型分为多阶子系统，分别对虚拟控制输入进行多次设计，如此递推，直到达到系统阶数。该方法步骤清晰，简单明了，并且易于进行稳定性分析，但是在迭代过程中会使得噪声信号不断增加，对控制效果产生不利的影响。“内外环”方法将系统分为外环子系统和内环子系统。首先设计外环子系统控制器，得到外环虚拟控制输入和内环控制目标。然后设计内环控制器。最后通过对内外环系统之间存在的耦合性进行稳定性分析得到闭环系统的稳定性。该方法能够有效地应用于欠驱动多旋翼无人机系统，各部分控制器设计过程相对独立，但是其稳定性分析过程较为复杂，对内环控制器的稳定性结论依赖性较强，难以得出完整的闭环稳定结论。

三旋翼无人机作为一种新构型多旋翼无人机，目前针对该类型无人机研究机构较少，且主要研究焦点局限于动力学建模、简单的线性姿态控制器设计、高度控制器设计，且缺少完备的稳定性分析和实验验证，针对三旋翼无人机在未知时变扰动下的位姿跟踪控制问题尚没有相关文献提及。

发明内容

本发明针对传统三旋翼无人机在未知时变扰动下的位姿跟踪控制问题研究欠缺的情况下提出一种新型的三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法。

为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：

一种三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法,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，当前姿态以无人机记载传感器获得，两者作差，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。

作为优选，上述三旋翼无人机鲁棒跟踪控制器控制方法,步骤如下：

步骤1：

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},通过分析舵机对三旋翼无人机的作用原理，并考虑未知时变扰动对动力学特性的硬性，提出建立三旋翼无人机动力学模型动力学模型公式如下：

其中，各变量含义如下：