[发明专利]一种四旋翼飞行器的滑模控制方法及其控制器

说明书

技术领域

本申请涉及飞行器领域，并且更具体地，涉及一种四旋翼飞行器的滑模控制方法及其飞行器。

背景技术

四旋翼飞行器是一种具有垂直起降和悬停功能的蝶形飞行器，具有结构简单、体积小、机动灵活的优点。对于四旋翼飞行器的控制，主要有以下难点：1)建立准确的动力学模型非常困难，飞行过程中系统会受到重力、陀螺效应和外界干扰的影响；2)四旋翼飞行器是具有6个自由度，4个输入量的欠驱动系统，具有高度的非线性、强耦合性等控制难点。

对于四旋翼飞行器控制系统的设计，目前常用的控制算法有：自适应控制，反步法，滑模控制，鲁棒控制等，上述方法都取得了一定的研究成果，但考虑到实际系统中通常存在建模不精确、参数未知等不确定性，如何解决控制器对模型较强的依赖，并提高闭环系统鲁棒性，是实现带有不确定性四旋翼飞行器控制的关键。针对带有不确定性的四旋翼飞行器系统，有学者提出径向基函数(Radial Basis Function，RBF)神经网络自适应比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制算法，基本思想是在PID算法的基础上利用神经网络选择和整定PID参数，神经网络的自学习自适应能力虽然具有一定的非线性控制作用，但控制器中的PID算法是传统的线性控制方法，不太适合四旋翼飞行器这种非线性系统。

因此，亟需一种四旋翼飞行器的控制方法，能够更好的对四旋翼飞行器进行控制。

发明内容

本申请提供一种四旋翼飞行器的控制方法，能够更好的对四旋翼飞行器进行控制。

一方面，提供了一种四旋翼飞行器的自适应滑模控制方法，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与给定姿态角和、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。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，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)，

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，l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)，

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，

并根据式(3)得到式(4)，