[发明专利]一种四旋翼飞行器的滑模控制方法及其控制器

权利要求书

1.一种四旋翼飞行器的自适应滑模控制方法，其特征在于，所述飞行器由控制器控制，所述控制器为分环控制结构形式，所述分环控制结构的外环为位置控制器，所述方法包括：

所述位置控制器将所述飞行器的实际位置x、y、z和期望轨迹x_d、y_d、z_d之间的跟踪误差采用RBF网络自适应滑模控制算法，确定所述飞行器的高度控制律U₁、所述飞行器的水平位置控制律U_x、U_y；

根据所述水平位置控制律U_x、U_y确定所述飞行器的横滚角φ_d和给定俯仰角θ_d；

根据所述飞行器的实际姿态角φ、θ、ψ与给定姿态角φ_d、θ_d、ψ_d之间的跟踪误差采用RBF网络自适应滑模控制算法，确定所述飞行器的控制横滚角控制律U₂、俯仰角控制律U₃、偏航角的控制律U₄。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述飞行器的高度控制率U₁，包括：

通过牛顿-欧拉方程和坐标转换矩阵建立飞行器的动力学方程式(1)，

φ··=(Iyy-Izz)Ixxθ·ψ·+lU2+Irθ·ΩrIxx+d1θ··=(Izz-Ixx)Iyyφ·ψ·+lU3-Irφ·ΩrIyy+d2ψ··=(Ixx-Iyy)Izzθ·φ·+U4Izz+d3x··=(cosψsinθcosφ+sinψsinφ)U1m+d4y··=(sinψsinθcosφ-sinφcosψ)U1m+d5z··=(cosθcosφ)U1m-g+d6---(1),]]>

式(1)中，I_xx、I_yy、I_zz为飞行器在机体坐标系各个轴向的转动惯量，I_r为转子转动惯量，Ω_r＝-Ω₁+Ω₂-Ω₃+Ω₄，为旋翼产生的陀螺效应分量，，为飞行器质心到各旋翼中心的距离，m为飞行器质量；

将式(1)写成状态方程形式(2)，

X·=f(X)+g(X,U)+d---(2),]]>

式中，X＝[x₁…x₁₂]^T表示状态向量，具体如下：U＝[U₁ U₂ U₃ U₄]^T，d＝[d₁ d₂ d₃ d₄ d₅ d₆]^T为外界干扰且|d|≤D，D为外界扰动上界；

根据(1)和(2)式获得状态空间表达式(3)为，

X·=x2f1(x)+b1U2+d1x4f2(x)+b2U3+d2x6f3(x)+b3U4+d3x8uxU1m+d4x10uyU1m+d5x12g(x)U1-g+d6---(3),]]>

并根据式(3)得到式(4)，

ux=cos x5sin x3cos x1+sin x1sin x5uy=sin x5sin x3cos x1-sin x1cos x5---(4);]]>

当假设所有状态变量均可以得到用于反馈，飞行系统物理参数I_xx、I_yy、I_zz、I_r、l均未知，即b₁、b₂、b₃为未知参数，f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)、g(x)为具体形式未知的函数，理想轨迹有界，上述函数的一阶和二阶导数存在，确定高度z的空间表达式为式(5)

x·11=x12x·12=g(x)U1-g+d6---(5),]]>

定义理想跟踪指令为z_d，跟踪误差为式(6)，

e₁＝z_d-z (6)，

设计滑模面为公式(7)，

并对公式(7)求导得到公式(8)，

s·1=e··1+c1e·1=z··d-z··+c1e·4=z··d-g(x)U1+g-d6+c1e·1---(8),]]>

设计滑模控制律为式(9)，

U1=1g^(x)(z··d+g+c1e·1+η1sgn(s1))---(9),]]>

其中，在式(9)中，为RBF网络对未知函数g(x)的逼近输出。