[发明专利]一种基于非线性制导的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种基于非线性制导的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制方法，属于飞行器控制技术领域。本发明首先对四旋翼飞行器建立直线路径坐标系、圆弧路径极坐标系以及惯性坐标系；然后计算四旋翼飞行器跟踪轨迹所需的高度、期望的航向角、期望的俯仰角、期望的侧向加速度；四旋翼飞行器的高度控制器获取跟踪轨迹所需的高度，姿态角控制器获取期望航向角，俯仰角控制器获取期望的俯仰角，滚转角控制器获取期望的侧向加速度，最后四旋翼飞行器在高度控制器、姿态角控制器、俯仰角控制器以及滚转角控制器的控制下按照预定轨迹飞行。本发明解决了现有四旋翼飞行器跟踪控制无法保证匀速飞行、响应延时大的问题。本发明可用于四旋翼飞行器轨迹跟踪控制。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞行器轨迹跟踪控制方法，属于飞行器控制技术领域。

背景技术

四旋翼飞行器具有垂直起降、悬停和机动飞行的特性，特别适合室内狭小空间和城市复杂环境执行侦察和监视任务。四旋翼飞行器是一个多变量非线性系统，动力学模型较为复杂，国内外许多高校与科研机构对其进行了广泛深入的研究。

四旋翼飞行器在执行任务的过程中，需要跟踪预先规划好的飞行轨迹，现有方法是将飞行路径离散为位置跟踪点，然后针对四旋翼飞行器设计相应的位置控制器，跟踪离散后的位置点。具体步骤为：

步骤1：对四旋翼飞行器进行姿态动力学建模和位置动力学建模，对动力学模型进行解耦，并通过线性化得到四旋翼飞行器的传递函数；建立控制对象的六自由度仿真模型，包括姿态动力学建模、位置动力学建模、执行机构建模以及模型的线性化，四旋翼无人机参考系示意图如图1所示。在对四旋翼无人机的动力学建模时，需要进行以下两条假设：

(1)将四旋翼无人机看作是刚体，认为其不发生弹性形变，并且重心位置不变，质量也不变。

(2)四旋翼一般飞行高度为相对地面几十米的距离，因此可以忽略地球曲率，以及地球的自转和公转的因素，可以将所在地面视作平面。

步骤2：分别设计姿态环串级PID控制器和位置环串级PID控制器；以姿态环为例形式如图2所示，串级PID内外两环并联调节，这样的好处的是增加系统的稳定性，抗干扰。串级PID控制器的缺点也是显而易见的，和直接对内环进行控制相比较会延长响应时间。串级PID就是将控制系统分解为内环和外环两个单级PID控制器，它增强了系统的抗干扰性能(也就是增强稳定性)，对于旋翼飞行器而言相当于抵消了角速度和速度的干扰。因为有两个控制器控制飞行器，它会比单个控制器控制更多的变量，使得飞行器的适应能力更强。在整定串级PID时的经验则是：先整定内环参数，再整定外环参数。因为内环靠近输出，效果直接。

步骤3：根据特定的飞行任务设计四旋翼飞行器的飞行路线，并将航迹按照一定规则离散化为一系列的位置指令；

步骤4：将当前位置点和位置指令输入到四旋翼飞行器位置控制器中，使四旋翼飞行器跟踪离散化后的位置指令。

上述方法首先对四旋翼飞行器进行建模，并且分别设计位置环和姿态环PID控制器，然后给四旋翼飞行器的位置控制器输入一系列航迹点，飞行器逐个点跟踪来逼近整条轨迹，但是在跟踪过程中无法保证速度为期望值。如果输入的航迹点与当前位置点相距较大，则无法保证两点之间的飞行器轨迹为一条直线，而且由于控制特性，在接近目标位置点时会减速；如果给入的航迹点与当前位置点相距较小，飞行器到达每个航迹点时，会产生停顿，速度降为零，反复的加减速会大大降低轨迹跟踪品质，加长了跟踪时间；

综上可知，现有方法的缺陷在于离散的规则不容易选取，而且无法保证四旋翼飞行器匀速飞行，加入位置控制器后响应延时也会变大，最终导致飞行品质不高。

发明内容

本发明为解决现有四旋翼飞行器跟踪控制无法保证匀速飞行、响应延时大的问题，提供了一种基于非线性制导的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制方法。

本发明所述一种基于非线性制导的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制方法，通过以下技术方案实现：