[发明专利]一种四旋翼无人机系统的增强型等速趋近律滑模控制方法

说明书

一种四旋翼无人机系统的增强型等速趋近律滑模控制方法，针对四旋翼无人机系统，结合等速趋近律滑模控制方法，设计一种四旋翼无人系统的增强型等速趋近律滑模控制方法。增强型指数趋近律的设计是为了保证系统的滑动模态能更快的到达滑模面，同时不增加系统的抖振现象，实现系统的快速稳定控制。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人机系统的增强型等速趋近律滑模控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器作为旋翼式飞行器的一种,以其体积小、机动性能好、设计简单、制造成本低廉等优点,吸引了国内外大学、研究机构、公司的广泛关注。旋翼无人飞行器非常适合用于监视、侦察等民用和军用领域。在民用领域,旋翼无人飞行器主要被应用于抗灾救险、地面监测、高空航拍等；由于其隐蔽性髙,可靠性好,也被用于战场监控、军事侦察等军用领域。在科研方面，四旋翼无人机具有非线性、欠驱动、强耦合的动态特性，研究人员常将其作为理论研究、方法验证的实验载体。针对四旋翼无人机系统的控制问题，存在很多控制方法，例如 PID控制，自适应控制，滑模控制等。

趋近律滑模控制的方法可以提高四旋翼无人机快速性，鲁棒性，而且大大减弱了传统滑模控制带来的抖振问题。由于滑模可以按需要来设计，而且系统的滑模运动与控制对象的参数变化和外界的干扰无关，因此滑模变结构控制系统的鲁棒性比一般常规的连续系统强。但是，传统的滑模变结构会造成奇异性问题和抖振现象。对比传统的等速趋近律滑模控制，增强型等速趋近律滑模趋近速度可以做到自我调整，趋近速度更快，到达时间更短。

发明内容

为了克服现有的四旋翼无人机系统存在的趋近速度过慢、到达时间过长的不足，本发明提供一种四旋翼无人机系统的增强型等速趋近律滑模控制方法，保证系统更快地到达滑模面。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种四旋翼无人机系统的增强型等速趋近律滑模控制方法，包括以下步骤：

步骤1，确定从基于四旋翼无人机的机体坐标系到基于地球的惯性坐标系的转移矩阵；

其中ψ、θ、φ分别是无人机的偏航角、俯仰角、翻滚角，表示无人机绕依次惯性坐标系各轴旋转的角度，T_ψ表示ψ的转移矩阵，T_θ表示θ的转移矩阵，T_φ表示φ的转移矩阵；

步骤2，根据牛顿欧拉公式分析无人机动力学模型，过程如下：

2.1，平动过程中有：

其中x、y、z分别表示无人机在惯性坐标系下的位置，m表示无人机的质量，g表示重力加速度，mg表示无人机所受重力，四个旋翼产生的合力U_r；

2.2，转动过程中有：

其中τ_x、τ_y、τ_z分别代表机体坐标系上的各轴力矩分量，I_xx、I_yy、I_zz分别代表机体坐标系上的各轴转动惯量分量，×表示叉乘，w_p、w_q、w_r分别代表机体坐标系上的各轴姿态角速度分量，分别代表机体坐标系上的各轴姿态角加速度分量；

考虑到无人机一般处于低速飞行或者悬停状态下，姿态角变化较小，认为则转动过程中式(3)表示为式(4)

联立式(1)，(2)，(4)，得到无人机的动力学模型如式(5)所示