[发明专利]一种四旋翼无人机的终端协同控制方法

摘要

一种四旋翼无人机的终端协同控制方法，针对四旋翼无人机系统，基于牛顿欧拉公式，建立四旋翼无人机的动态模型；解耦四旋翼无人机的位置与姿态耦合关系，以便于分别控制；在系统状态空间中分别构造位置终端流形和姿态终端流形，以加快系统误差收敛速度；根据相应的流形动态特性，分别设计位置终端协同控制器和姿态终端协同控制器，以消除控制输入抖振现象；最后，通过解耦结果串联两控制器，构造内外双环实现四旋翼无人机的飞行控制。本发明提供一种四旋翼无人机的终端协同控制方法，消除控制输入抖振现象，提高系统响应速度，实现四旋翼无人机的无抖振快速控制。

主权项

1.一种四旋翼无人机的终端协同控制方法，所述终端协同控制方法包括以下步骤：步骤1，建立四旋翼无人机的动态模型，过程如下：1.1在忽略空气阻力和陀螺效应的基础上，对四旋翼无人机进行以下假设：无人机是刚性的；无人机的结构是完全对称的；无人机的重心与机体坐标系原点重合；并定义机体坐标系到惯性坐标系的转移矩阵R为：其中，ψ、θ、φ分别为无人机的偏航角、俯仰角、翻滚角；1.2基于牛顿公式，从受力角度分析无人机，平动过程中有：其中，m表示无人机的质量，g表示重力常数，U_F表示无人机四个旋翼产生的合升力，x、y、z表示无人机在惯性坐标系下各轴的位置，分别表示x、y、z的二阶导数；将式(1)代入式(2)中得到：1.3基于欧拉公式，从受力角度分析无人机，转动过程中有：其中，τ_x、τ_y、τ_z分别代表机体坐标系下各轴力矩分量，I_x、I_y、I_z分别代表机体坐标系下各轴转动惯量分量，p、q、r分别代表机体坐标系下各轴姿态角速度分量，分别代表机体坐标系下各轴姿态角加速度分量；将式(4)表示为：考虑到四旋翼无人机处于低速飞行或者悬停状态下，认为将式(5)改写为：1.4因此系统的动态模型重写为：其中，以及其特征在于，所述终端协同控制方法还包括以下步骤：步骤2，计算系统位置跟踪误差，设计位置流形，选择动态特性，过程如下：2.1定义系统位置跟踪误差为：ew＝w‑wd        (9)其中，w＝[x；y；z]，wd＝[xd；yd；zd]分别表示实际和期望的位置轨迹；那么式(9)的一阶微分和二阶微分分别表示为：2.2定义位置流形为：其中，a1＞0，β1＞0，p1和q1是正奇数，满足p1＜q1＜2p1；那么式(12)的一阶微分表示为：2.3选择位置流形期望的动态特性方程为：其中，T1＞0，决定了系统状态变量收敛到流形sw＝0的速度；步骤3，基于四旋翼无人机的动态模型，根据动态特性方程，设计位置协同控制器，过程如下：3.1将式(11)、式(12)和式(13)代入式(14)中得到：3.2考虑式(7)和式(15)，位置协同控制器被设计为：其中，U＝[Ux；Uy；Uz]；3.3设计李雅普诺夫函数：对式(17)进行微分，并代入式(16)得到：因此，系统位置跟踪误差能收敛至零，表明系统是稳定的；步骤4，位置与姿态关系解耦，过程过下：4.1对式(8)解耦计算，得到：其中，ψd，φd，θd为期望姿态角，ψd由人为给定；步骤5，计算系统姿态跟踪误差，设计姿态流形，选择动态特性，过程如下：5.1定义系统姿态跟踪误差为：eΩ＝Ω‑Ωd      (20)其中，Ω＝[φ；θ；ψ]，Ωd＝[φd；θd；ψd]分别表示实际和期望的姿态轨迹；那么式(20)的一阶微分和二阶微分表示为：5.2定义姿态流形为：其中，sΩ＝[sx；sy；sz]，α2＞0，β2＞0，p2和q2是正奇数，满足p2＜q2＜2p2；那么式(23)的一阶微分表示为：5.3选择姿态流形期望的动态特性方程为：其中，T2＞0，决定了系统状态变量收敛到流形sΩ＝0的速度；步骤6，基于四旋翼无人机的动态模型，根据动态特性方程，设计姿态协同控制器，过程如下：6.1将式(22)、式(23)和式(24)代入式(25)中得到：6.2考虑式(7)和式(26)，姿态协同控制器被设计为：其中，τ＝[τ_x；τ_y；τ_z]，b＝[b₁；b₂；b₃]，6.3设计李雅普诺夫函数：对式(28)进行微分，并代入式(27)得到：因此，系统姿态跟踪误差能收敛至零，表明系统是稳定的。