[发明专利]一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法

说明书

本发明一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法：一、建立四旋翼和无人船六自由度模型，通过坐标变换，建立两者间相对运动学与相对动力学模型；二、相对位置控制器的外环设计；三、相对位置控制器的内环设计；四、相对高度控制设计：给定期望相对零高度，计算四旋翼的一个控制输入量，使得四旋翼和无人船之间的高度差被消除；五、相对高度控制设计：给定期望相对零姿态，计算四旋翼的另外三个控制输入量，使得四旋翼和无人船之间的姿态差被消除，从而四旋翼平稳降落到无人船上。本发明设计简单；有效解决执行器饱和问题，抑制模型不确定性和外界干扰的影响，保证系统全局一致有界，保证四旋翼的降落点误差在允许的小范围内。

技术领域

本发明提供一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法，它提供一种在考虑参数不确定、输入饱和以及未知干扰的情况下，四旋翼自主着船的新控制方法，属于无人机自动控制技术领域。

背景技术

近年来，对于四旋翼的控制研究和实际应用越来越多。相比较于传统意义上的直升机，四旋翼具有可操作性强、可盘旋飞行以及机械结构简单等优点。因此，它可被用来执行搜索救援、监察勘探和航空摄影等任务。此外，四旋翼在海域的应用可以提供高效的海洋侦察能力。这就要求四旋翼有较好的操纵能力以完成海面上的自主着船。但是在实际应用系统中，四旋翼的模型参数无法准确得知，并且洋流和气流的干扰是时变且不可预测的。同时，会出现执行器饱和的问题，从而导致性能退化、超前滞后、产生负脉冲信号甚至系统不稳定。基于以上因素，自主着船的整个控制过程变得复杂且具有挑战性。目前，对于飞行器降落在移动平台上的研究，主要应用的方法有协调控制、参数优化算法和视觉导航等。这些方法主要是针对单飞行器，对移动平台的运动进行补偿设计控制器，并且没有考虑输入饱和的问题。因此，需要提出一个性能更好、可靠性更高的四旋翼自主着船控制方法。

本发明“一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法”把以上问题作为切入点，而提出的有针对性的，解决参数不确定、输入受限、外界干扰下的四旋翼自主着船问题的控制理论。通过建立四旋翼和无人船的相对模型，将四旋翼的轨迹跟踪问题转变为相对运动的稳定问题。其中，无人船的模型为六自由度的模型，对于风的干扰也建立了具体的模型，从而可使理论分析更接近实际系统。使用自适应滑模算法估计不确定项和外界扰动。同时，引入线性饱和补偿器补偿输入饱和产生的影响。通过李雅普诺夫稳定性分析以及模拟仿真，证明该控制器具有较高的，四旋翼可以以高精度跟踪无人船的运动，并安全稳定的完成着船过程，保证系统全局一致有界。

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法，控制工程师可以在结合实际参数的同时，按照该方法实现四旋翼抗参数不确定、抗扰动、抗输入饱和的自主着船控制。

(2)技术方案：本发明“一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法”，其主要内容及步骤是：首先分别给定四旋翼和无人船考虑干扰时的六自由度模型，然后建立两者间的相对运动模型，针对该相对模型进行控制器设计。由于四旋翼的强耦合特性，该方法设计的控制器由两部分组成：相对位置控制器和相对姿态—高度控制器。当四旋翼距离无人船较远时，使用相对位置控制器，控制四旋翼从远驰飞到无人船正上方处。之后使用相对姿态—高度控制器，控制四旋翼和无人船同姿态降落到无人船上。两个控制器都通过饱和自适应滑模控制算法进行控制律设计。在相对位置控制器设计中，由于四旋翼的欠驱动特性，采用内外环的设计方法。在实际应用中，四旋翼与无人船的位置、姿态、速度等状态量由GPS等机载传感器测量得到，而由该方法计算得到的控制量将传输至螺旋桨等执行机构，即可实现四旋翼自主着船功能。

本发明“一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法”，其具体步骤如下：

步骤一 分别建立四旋翼和无人船的六自由度模型，通过坐标变换，建立两者间的相对运动学与相对动力学模型。

步骤二 相对位置控制器的外环设计：给定期望相对位置，设计自适应滑模控制律，计算实现控制目标的四旋翼的一个控制输入量，同时可以得到内环的四旋翼的期望姿态。