[发明专利]一种基于非奇异终端滑模的四旋翼无人机有限时间自适应控制方法

说明书

一种基于非奇异终端滑模的四旋翼无人机有限时间自适应控制方法，针对带有惯性不确定因素以及外部扰动的四旋翼无人机系统。根据四旋翼无人机的动力学系统，利用非奇异终端滑模控制方法，再结合自适应控制，设计一种基于非奇异终端滑模的四旋翼无人机自适应控制方法。非奇异终端滑模的设计是为了保证系统的有限时间收敛特性，并且避免了终端滑模控制存在的奇异性问题，有效削弱了抖振问题。另外，自适应控制是用来处理系统的惯性不确定性和外部干扰的。本发明提供了一种能消除滑模面奇异性问题，并且能有效抑制和补偿系统存在的惯性不确定性及外部干扰的控制方法，保证系统的有限时间收敛特性。

技术领域

本发明涉及一种基于非奇异终端滑模的四旋翼无人机有限时间自适应控制方法，特别是带有惯性不确定因素以及外部扰动的四旋翼无人机系统控制方法。

背景技术

四旋翼无人机作为旋翼飞行器的一种，通过控制四个旋翼转速实现的飞行控制能够方便的完成起飞与降落等动作，被大量应用于航空摄影、地质勘查、抢险救灾、环境评估等领域。由于四旋翼无人机体积小且重量轻，飞行中易受到外部干扰，如何实现对四旋翼无人机的高性能运动控制已经成为一个热点问题。针对四旋翼无人机的控制问题，存在很多控制方法，例如PID控制、自抗扰控制、滑模控制等。

其中滑模控制已经广泛应用于非线性系统，其优点包括响应速度快、实施方便、对系统不确定和外部干扰的鲁棒性等。对比传统的滑模控制，终端滑模控制能实现有限时间收敛，但系统存在奇异点，其在本质上的不连续开关特性将会引起系统的抖振，对系统在实际情况中的应用有很大阻碍。为解决这一问题，非奇异终端滑模控制被提出，这种方法在实际情况中有效地解决了系统的奇异性问题，且保证了系统有限时间收敛特性与较强的鲁棒性。

对具有惯性不确定性的四旋翼无人机动力学系统，存在外部干扰及参数不确定性。外部干扰带来的气动干扰、陀螺力矩干扰、参数摄动等问题会影响四旋翼无人机飞行控制的灵敏度和稳定性。因此，在滑模控制的基础上可应用自适应法来估计干扰和系统参数，设计估计律使得系统有更好的稳态性能。

发明内容

为了克服四旋翼无人机系统存在的外部干扰和惯性不确定性问题以及终端滑模控制的奇异性问题的不足，本发明提供了一种具有自适应控制的四旋翼无人机非奇异终端滑模控制方法，消除了系统奇异性问题，有效抑制了抖振现象，同时对系统存在的扰动进行抑制和补偿，保证系统的有限时间收敛特性。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种基于非奇异终端滑模的四旋翼无人机有限时间自适应控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立四旋翼无人机的动力学模型，初始化系统状态、采样时间和系统参数，过程如下：

1.1假设无人机是刚性完全对称的，且其中心与机体坐标系原点重合，对四旋翼无人机系统进行受力分析，建立坐标系，一个是基于地球的惯性坐标系，由坐标轴X_E、Y_E、Z_E确定，另一个是基于四旋翼无人机的机体坐标系，由坐标轴X_B、Y_B、Z_B确定，从机体坐标系到惯性坐标系的转移矩阵M为:

其中，ψ、θ、φ分别称为无人机的偏航角、俯仰角、翻滚角，表示惯性坐标系绕其各坐标轴的旋转角度；

1.2根据牛顿欧拉公式分析动力学模型，平动状态下有：

其中x、y、z分别表示四旋翼无人机在惯性坐标系下的位置，m为无人机的质量，U_F表示四个旋翼产生的升力，mg为无人机所受的重力，g是重力加速度，U_F和mg之和表示作用在无人机上的合外力F；

将式(1)代入式(2)得：