[发明专利]基于反正切增强型双幂次趋近律和快速终端滑模面的四旋翼飞行器自适应控制方法

说明书

一种基于反正切增强型双幂次趋近律和快速终端滑模面的四旋翼飞行器自适应控制方法，包括以下步骤：步骤1，确定从基于四旋翼飞行器的机体坐标系到基于地球的惯性坐标系的转移矩阵；步骤2，根据牛顿欧拉公式分析四旋翼飞行器动力学模型；步骤3，计算跟踪误差，根据快速终端滑模面以及其一阶导数设计控制器。本发明结合反正切增强型双幂次趋近律滑模控制及快速终端滑模控制，不但能在远离滑模面时能增加趋近速度，并且能减小抖振，提高系统的快速性和鲁棒性，实现快速稳定控制，同时能实现跟踪误差有限时间控制，解决了传统滑模面中只有当时间趋于无穷，跟踪误差才趋向0的问题。同时通过自适应对干扰的界进行估计，提高系统的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种基于反正切增强型双幂次趋近律和快速终端滑模面的四旋翼飞行器自适应控制方法。

背景技术

四旋翼飞行器由于结构简单、机动性强、飞行方式独特的特点引起了国内外学者以及科研机构的广泛关注，并迅速成为目前国际上研究的热点之一。相比固定翼飞行器，旋翼飞行器可以垂直升降，对环境要求低，不需要跑道，降低了成本，有着巨大的商业价值。飞行器的发展使许多危险的高空作业变得轻松安全，在军事方面给其他国家造成威慑，在民用方面使工作效率大大增加。四旋翼飞行器具有较强的灵活性，可随时实现运动和悬停的快速过渡，并且能以较小的损坏风险胜任更具挑战性的飞行任务。在科学研究领域，由于四旋翼飞行器具有非线性、欠驱动、强耦合的动态特性，研究人员常将其作为理论研究、方法验证的实验载体。依托小型四旋翼飞行器，搭建飞行器飞行控制系统，进行飞行器高性能运动控制研究，是当前学术界的热点研究领域。

趋近律滑模控制的特点是可以实现不连续控制，滑动模态是可设计的，而且与系统参数及扰动没有关联。趋近律滑模不仅可以合理设计到达滑模面的速度，减小趋近阶段的时间，提高系统的鲁棒性，而且能有效的减弱滑模控制中的抖振问题。目前，在四旋翼控制领域中，使用趋近律滑模控制比较少。增强型趋近律在传统趋近律的基础上进一步加快了系统到达滑模面的趋近速度同时使得抖振更小。由于四旋翼飞行器在飞行中会遇到外部环境干扰，通过自适应对干扰的界进行干扰和补偿，提高系统的稳定性。

发明内容

为了克服传统滑模面无法实现有限时间控制以及进一步加快趋近律的趋近速度和减小抖振的问题，本发明采用了快速终端滑模控制以及基于反正切增强型双幂次趋近律，通过切换控制的思想避免了奇异性问题，加快了系统到达滑模面的趋近速度，减小了抖振，实现了有限时间控制。同时通过自适应对干扰的界进行干扰和补偿，提高系统的稳定性。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种基于反正切增强型双幂次趋近律和快速终端滑模面的四旋翼飞行器自适应控制方法，包括以下步骤：

步骤1，确定从基于四旋翼飞行器的机体坐标系到基于地球的惯性坐标系的转移矩阵；

其中ψ、θ、φ分别是飞行器的偏航角、俯仰角、翻滚角，表示飞行器绕依次惯性坐标系各轴旋转的角度，T_ψ表示ψ的转移矩阵，T_θ表示θ的转移矩阵，T_φ表示φ的转移矩阵；

步骤2，根据牛顿欧拉公式分析四旋翼飞行器动力学模型，过程如下：

2.1，平动过程中有：

其中x、y、z分别表示四旋翼在惯性坐标系下的位置，m表示飞行器的质量，g表示重力加速度，mg表示四旋翼所受重力，四个旋翼产生的合力U_r；

2.2，转动过程中有：