[发明专利]一种基于双指数型函数的四旋翼飞行器非线性滑模位姿控制方法

说明书

一种基于双指数型函数的四旋翼飞行器非线性滑模位姿控制方法，针对含有动态执行机构的四旋翼无人机系统，利用非线性滑模控制方法，设计一种四旋翼无人机系统非线性滑模位姿控制方法。滑模面的设计是为了保证系统的快速稳定收敛。另外，采用非线性函数设计滑模面可以提高系统的鲁棒性以及跟踪精度。本发明提供一种基于双指数型函数的四旋翼飞行器非线性滑模位姿控制方法，实现系统的快速稳定控制。

技术领域

本发明涉及一种基于双指数型函数的四旋翼飞行器非线性滑模位姿控制方法，以满足四旋翼无人机对参考输入快速准确跟踪的性能要求。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是通过远程遥控或基于无人机自身传感器实现自主飞行的飞行器。随着其技术的不断成熟,已被应用于民用、军用的很多领域。无人机可以分为固定翼和旋翼两种,固定翼无人机的优点是能量效率高，因此飞行距离和时间都较长，小型滑翔机在风速不大时也比较容易控制，但是它们被设计为无人形式时，操作性较差。相比而言，旋翼无人机则具有很强的可操作性，且机动性强，能够很方便地完成起飞与降落等动作，对工作环境的要求也比较低。四旋翼无人机作为旋翼式无人机的一种,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。旋翼无人机非常适合用于监视、侦察等民用和军用领域。在民用领域,旋翼无人机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。在国外无人机研究也是一大热点，其中美国航空航天局(NASA)已经研制出了十旋翼的无人驾驶飞机用于战略探测及科学研究，还开发出了可使大型无人机与有人驾驶航空器一同在国家空域内安全飞行的技术；在国内无人机研究也受到高度重视，在“十三五”规划的第五部分高端装备，第18条内容中提到：推进干支线飞机、直升机、通用飞机和无人机产业化。因此对无人机的研究具有极高的战略、科研及商业价值。

滑模控制在解决系统不确定性和外部扰动方面被认为是一个有效的鲁棒控制方法。滑模控制方法具有算法简单、响应速度快、对外界噪声干扰和参数摄动鲁棒性强等优点。因此，滑模控制方法被广泛应用于各个领域。对比传统线性滑模控制,非线性滑模控制的优越性在于他在满足快速跟踪的性能要求的同时兼具有更高的同步控制精度，系统的鲁棒性也较高。所以利用非线性滑模来控制四旋翼无人机系统，具有重要的理论和实际意义。

发明内容

为了满足四旋翼无人机对参考输入快速跟踪的性能要求，同时兼具更高的同步控制精度，使系统具有更高的鲁棒性，本发明提供一种基于双指数型函数的四旋翼飞行器非线性滑模位姿控制方法，增强了系统的鲁棒性能以及同步控制精度，且保证系统快速稳定收敛。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种基于双指数型函数的四旋翼飞行器非线性滑模位姿控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立四旋翼无人机系统的动态模型，初始化系统状态、采样时间以及控制参数，过程如下：

1.1四旋翼无人机系统的动力学模型表达形式为：

其中，x、y、z分别表示无人机在惯性坐标系下三个坐标轴的位置，m表示无人机的质量，F表示作用在无人机上的合外力，包括无人机所受重力mg和四个旋翼产生的合力U_F，T是从机体坐标系到惯性坐标系的转移矩阵，表达形式为：

T＝[T₁ T₂ T₃] (2)

1.2无人机转动过程中的力矩平衡方程为：