[发明专利]基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法、装置及系统

说明书

本发明提供了基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法、装置及系统，涉及自动化控制技术领域，包括根据姿态信息和四旋翼飞行器旋转运动的动力学模型建立误差模型；构建标称控制器，根据标称控制器对误差模型进行跟踪，获取标称闭环控制系统；构建鲁棒补偿器，根据鲁棒补偿器对误差模型进行不确定性的抑制，获取鲁棒姿态控制信息。本发明具有较好的稳态和动态跟踪性能。

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，尤其是涉及基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法、装置及系统。

背景技术

在过去的十年中，无人直升机系统的发展取得了重大进展，特别是四旋翼飞行器，因为它们比传统的直升机有两大优势：包括旋翼驱动不需要复杂的机械控制连接，以及对于给定的机身尺寸，四旋翼的每个旋翼比常规直升机的主旋翼小。

因此，在控制领域中对四旋翼飞行器做了很多研究，并提出了一些控制方法来实现机体的自动飞行。然而，四旋翼动力学涉及多个不确定性，包括参数摄动、耦合、非线性和外部干扰。首先，由于不同的任务需求，有效载荷配置可能会发生变化，这将导致四旋翼重量和惯性张量的变化，因此机体动力学受到参数摄动的影响。其次，四旋翼模型中姿态角与其变化率存在严重的非线性和轴间耦合。此外，机体动力学容易受到突然或持续阵风的影响，外部干扰会严重影响机体的飞行性能，甚至导致闭环系统的不稳定。科研人员提出了新的滑模控制方法来实现四旋翼飞行过程中的抗干扰。但是闭环控制系统的动态跟踪性能不能得到不连续控制方法的保证。Dydek等人讨论了自适应控制算法，以实现对四旋翼的鲁棒轨迹跟踪控制。但是，在整个频率范围内，标准的H_∞控制方法无法抑制非线性和耦合对闭环控制系统的影响。此外，以往大部分工作都集中在基于欧拉角的鲁棒控制器上用来描述直升机的旋转动力学，然而这种表示方法存在奇点问题。有人应用四元数表示法来避免由欧拉角定义的旋转矩阵固有的奇异性，通过补偿科里奥利和陀螺扭矩实现了指数态稳定。然而在设计的闭环控制系统的性能分析中，尚未充分讨论不确定性的影响。

以往的许多研究工作都集中在通过自适应控制方法来改善基于四元数表示的直升机系统的鲁棒性。Johnson和Kannan等人提出了基于神经网络的直接自适应控制方法来实现自主直升机的轨迹跟踪。Isidori，和L.Marconi等人设计了一种新颖的非线性自适应输出调节器来控制垂直运动，同时稳定直升机的横向和水平位置。但自适应闭环系统的动态跟踪性能无法确定，时变扰动对控制系统的影响在其稳定性分析中尚未充分讨论。实际上，四元数的加减定义是非线性和复杂的，这可能导致闭环控制系统的跟踪性能受到不确定性的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法、装置及系统，具有较好的稳态和动态跟踪性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于四元数的四旋翼飞行器鲁棒姿态控制方法，其中，包括：

根据姿态信息和四旋翼飞行器旋转运动的动力学模型建立误差模型；

构建标称控制器，根据所述标称控制器对所述误差模型进行跟踪，获取标称闭环控制系统；

构建鲁棒补偿器，根据所述鲁棒补偿器对所述误差模型进行不确定性的抑制，获取鲁棒姿态控制信息。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述姿态信息包括角速度、转动惯量、外部转矩和旋转矩阵，所述根据姿态信息和四旋翼飞行器旋转运动的动力学模型建立误差模型，包括：

所述动力学模型根据下式获得：

其中，ω_b(t)为在飞行器本体坐标系中的所述角速度，J为机体的所述转动惯量，τ_b(t)为作用在本体坐标系上的所述外部转矩，R(t)为所述旋转矩阵。