[发明专利]一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器及其跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器及其跟踪控制方法，属于飞行机器人控制技术领域。所述控制器包括位置控制子系统和姿态控制子系统。位置控制子系统包含外环和内环伪动态逆和PI控制器、位置配置环节；姿态控制子系统也包含外环和内环伪动态逆和PI控制器、姿态配置环节。本发明避免了基于欧拉角控制器存在的奇异点和线性控制器制约机器人性能发挥的不足；简化了控制器的设计，提高了控制器系统跟踪精度。所设计的控制器不仅具有全姿态轨迹跟踪能力，而且抗干扰能力强，跟踪精度高，显著提高了四旋翼飞行机器人机动性和环境交互能力，为四旋翼飞行机器人的进一步推广应用奠定了技术基础。

技术领域

本发明属于飞行机器人控制技术领域，涉及轨迹自动跟踪技术，具体地说，是指一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制系统的设计方法。

背景技术

随着飞行机器人技术的快速发展，飞行机器人的应用越来越广泛。特别是四旋翼飞行机器人因为具有垂直起降功能，对场地无特别要求，特别适合侦察、营救、航拍等领域，目前已逐渐在民用和军事等领域得到了应用。为了提高四旋翼飞行机器人作业能力和应用范围，人们不再满足于四旋翼飞行机器人能平稳飞行等基本要求，而对其机动能力和环境交互能力的要求越来越高，这就需要四旋翼飞行机器人控制器具有很高的轨迹跟踪能力。四旋翼飞行机器人是一个典型的欠驱动、强耦合的非线性系统，这给其飞行轨迹跟踪控制器的设计带来了挑战。目前普遍使用的四旋翼飞行机器人飞行轨迹跟踪控制器存在着如下的不足：通常是基于欧拉角进行姿态表达的，采用欧拉角进行姿态表达的控制器，虽然有着姿态表达直观等特点，但在俯仰角为90度时，存在奇异点，此时飞行机器人失控，限制了飞行机器人的机动性和环境交互能力。另外一个问题是常用的控制器，通常采用的控制方法是通过对系统进行线性化后再采用线性控制方法进行设计，该方法的优点是简化了控制器的设计过程，但由于四旋翼飞行机器人本身是一个非线性系统，采用线性控制方法进行控制，严重制约了其性能的发挥，特别是机动性和环境交互能力。

发明内容

为了解决基于四旋翼飞行机器人轨迹跟踪控制器存在的上述问题，本发明提出了一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制系统设计方法，包括跟踪控制器及其跟踪控制方法。本发明采用基于四元素的姿态表达，通过建立四旋翼飞行机器人六自由度运动学和动力学模型，使用非线性控制方法-轨迹线性化控制方法具体设计了四旋翼飞行机器人六自由度非线性轨迹跟踪控制器，达到了避免基于欧拉角控制器存在的奇异点和线性控制器制约机器人性能发挥的不足。采用经过误差修正控制量的命令值代替标称值对各个控制环进行设计，不仅简化了控制器的设计，而且提高了控制器系统跟踪精度。所设计的控制器不仅具有全姿态轨迹跟踪能力，而且抗干扰能力强，跟踪精度高，显著提高了四旋翼飞行机器人机动性和环境交互能力，为四旋翼飞行机器人的进一步推广应用奠定了技术基础。

本发明首先提供一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器，整个跟踪控制器由两部分组成：位置控制子系统和姿态控制子系统。位置控制子系统中又包含内外两个控制环和一个位置配置环节，每个控制环都包含一个完整的轨迹线性化控制法控制结构：一个伪动态逆和一个起镇定调节作用的PI控制器。位置配置环节的主要作用是根据力指令F_com计算得到姿态指令值β_com和四个旋翼应该产生的总拉力T_com。姿态控制子系统中包含内外两个控制环和姿态配置环节，每个控制环也都包含一个完整的轨迹线性化控制法控制结构，姿态配置环节的主要作用是根据力矩指令M_com和位置控制子系统输出的总拉力T_com来映射得到四个旋翼的转速，从而实现对四旋翼飞行机器人的控制。