[发明专利]一种四旋翼无人飞行器非线性输出反馈飞行控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人飞行器姿态控制。特别是涉及一种四旋翼无人飞行器非线性输出反馈飞行控制方法。

背景技术

近年来随着材料技术、微型处理器技术以及传感器技术的发展，四旋翼无人飞行器受到军用及民用界广泛的关注。由于其具有体积小、重量轻、垂直起降、精确悬停等特点，四旋翼无人飞行器被广泛使用于火灾监控、应急响应、室内侦查等领域。四旋翼无人飞行器采用对称式结构，安装有四个固定攻角的螺旋桨，通过调节螺旋桨的转速能够改变三个方向的位移以及姿态角度。可靠的姿态与高度控制能够确保四旋翼无人飞行器的安全飞行，也是进行飞行器位置控制的基础。

传统的四旋翼无人飞行器姿态控制主要分为两步完成。首先，定义和描述飞行器在空间中的姿态。然后，通过状态反馈的方法设计控制器，完成对四旋翼无人飞行器姿态角的控制。在姿态描述方面，目前普遍采用基于欧拉角姿态描述角方法（期刊：IEEE Conference on Decision and Control；著者：Ton C T,Mackunis W；出版年月：2012年；文章题目：Robust Attitude Tracking Control of a Quadrotor Helicopter in the Presence of Uncertainty，页码：937-942），但是这种方法存在极性问题，也就是说在飞行器达到某些姿态时，四旋翼无人飞行器运动学方程中的雅可比矩阵将会无法定义，因此上述方法存在一定的局限性。在控制器设计方面，目前典型的控制算法主要有两大类：全状态反馈方法与输出反馈方法。其中全状态反馈方法是根据飞行器在飞行过程中的姿态角与角速度的实时反馈信号设计控制器，并达到对参考姿态轨迹的跟踪控制（期刊：The International Conference on Recent Advances in Space Technologies；著者：Dikmen I C,Arisoy A,Temeltas H；出版年月：2009年；文章题目：Attitude Control of a Quadrotor，页码：722-727）。在实际应用中，采用这类方法的前提是能够对四旋翼无人飞行器角度与角速度进行精确测量。但是，由于四旋翼无人飞行器本体的负载能力有限，无法携带高精度的角速度传感器，在实际应用中对飞行器角速度的测量具有很大的难度。从目前已经发表的结果来看，对于飞行器角度的测量大部分是在室内环境下，借助视觉捕捉系统完成的。这类方法的缺点是成本较高，而且只能在室内环境下实现。输出反馈控制方法是利用四旋翼无人飞行器输出状态（对与姿态控制来说，即四旋翼无人飞行器的姿态角度）设计控制器，使飞行器跟踪预定的姿态轨迹（期刊：IEEE Transactions on Automatic Control；著者：Schlanbusch M,Loria A,Kristiansen R,Nicklasson P J；出版年月：2012年；文章题目：PD+Based Output Feedback Attitude Control of Rigid Bodies，页码：2146-2152；）。由于四旋翼无人飞行器动力属于非线性系统，不适用于分离原则，因此观测器设计与稳定性证明具有很高的难度，并且很难达到渐近跟踪的控制效果。