[发明专利]一种考虑四旋翼飞行器执行器故障的积分反步滑模姿态控制方法

说明书

一种考虑四旋翼飞行器执行器故障的积分反步滑模姿态控制方法，针对执行器故障的四旋翼飞行器姿态控制系统，利用反步设计方法，结合滑模控制，使系统对干扰和未建模项有很强的鲁棒性，在控制器的设计过程中加入积分项，有利于减少抖振以及保证系统的快速性，设计一种考虑四旋翼飞行器执行器故障的积分反步滑模姿态控制方法。这种方法能有效减少四旋翼飞行器执行器故障的影响，并能够跟踪上姿态角的预设期望值，实现对四旋翼飞行器姿态的稳定控制。

技术领域

本发明涉及一种考虑四旋翼飞行器执行器故障的积分反步滑模姿态控制方法，使四旋翼飞行器姿态在执行器故障情况下能够跟踪上姿态角的预设期望值。景技术

四旋翼飞行器因其小巧灵活的结构，垂直起降、自由悬停的特点，低廉的成本，以及卓越的性能广泛应用于各个领域，如航拍摄影、灾情巡查等。除了外界空气动力、参数摄动、系统未建模项等影响，在四旋翼飞行器实际的飞行过程中，由于四旋翼飞行器控制稳定性及自身工艺的影响，电机和螺旋桨持续的高速旋转使得其发生故障的几率大大提高，一旦在飞行过程中出现故障，四旋翼飞行器在性质上的欠驱动特性以及其高非线性和强耦合性会使飞行稳定性急剧降低，甚至会导致失控，造成严重后果。四旋翼飞行器常见故障包括传感器故障和执行器故障，其中执行器故障发生频率更高，对四旋翼飞行器的影响更大，也更难解决。因此，需要设计一种合适的四旋翼飞行器控制策略来应对执行器故障的情况。目前针对四旋翼飞行器在执行器故障情况下的姿态控制问题有许多种控制方法，如PID控制、滑模控制、自适应控制和反步控制等。

反步控制适用于可状态线性化或具有严参数反馈的不确定非线性系统。因此对于欠驱动、非线性以及强耦合的四旋翼飞行器姿态控制系统，利用反步法设计控制器有利于飞行器的快速响应以及增强对系统不确定和外部干扰的鲁棒性。而滑模控制与控制目标参数及扰动无关，因此能够有效克服系统的不确定性，对干扰和未建模项也有很强的鲁棒性。滑模控制还有响应速度快、无需系统在线辨识以及物理实现简单等优点，对非线性控制系统有良好的控制效果。在控制器的设计过程中加入积分项，有利于减小抖振，并且进一步加快四旋翼飞行器系统姿态控制的响应时间。反步控制与滑模控制的结合，有利于四旋翼飞行器在快速响应的同时，克服系统的不确定性，增强对未建模项、外部干扰等的鲁棒性。

发明内容

为了克服现有四旋翼飞行器执行器发生故障的情况下，四旋翼飞行器无法保持安全稳定的飞行的不足，本发明提供一种考虑四旋翼飞行器执行器故障的积分反步滑模姿态控制方法，能有效减少四旋翼飞行器执行器故障的影响，并跟踪上姿态角的预设期望值，实现对四旋翼飞行器姿态的稳定控制。

为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：

一种考虑四旋翼飞行器执行器故障的积分反步滑模姿态控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立四旋翼飞行器系统的姿态动力学模型，初始化系统状态、采样时间以及控制参数，过程如下：

1.1在考虑四旋翼飞行器执行器故障的情况下，基于欧拉公式，从受力角度分析四旋翼飞行器，其姿态运动学表达式及其转动过程的动态模型表达式为：

其中，η表示姿态角矩阵，表示η的一阶导数，J表示四旋翼飞行器转动惯量矩阵，Ω表示四旋翼飞行器姿态角速度矩阵，表示Ω的一阶导数，×表示矩阵的叉乘，D表示四旋翼飞行器执行器效率矩阵，u表示四旋翼飞行器控制器输入矩阵；

将式(1)代入式(2)：

其中，表示η的二阶导数；

展开式(3)：