[发明专利]基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法。针对四旋翼飞行器空间飞行控制过程中存在的未知质量、三轴转动惯量引起的参数不确定性和加性外部干扰，采用自适应与积分鲁棒复合的抗干扰控制方法实现对四旋翼轨迹/姿态的精准跟踪：首先，建立考虑参数不确定性和外部干扰的四旋翼运动/动力学矢量化模型；其次，将上述模型分解为可描述三通道位置、速度、姿态、角速率变化的标量模型；然后，根据上述标量模型，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹复合抗干扰跟踪控制器；最后，根据姿态回路的标量模型以及由位置回路控制器解算生成的期望姿态角指令，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼姿态复合抗干扰跟踪控制器。

技术领域

本发明涉及导航制导方向的四旋翼轨迹/姿态跟踪领域，具体为一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，主要应用于解决考虑质量、三轴转动惯量等参数不确定性和外部干扰并存情况下的四旋翼轨迹/姿态精准跟踪控制问题。

背景技术

近年来，四旋翼飞行器因操控性方便、扩展性强、运动敏捷性高、可垂直起降等优异性能受到国内外研究学者的广泛关注。相对于固定翼飞机，四旋翼飞行器具有体积小、质量轻、造价低等优点，被广泛应用于侦查、追踪、灾害救援、影像拍摄等场合。飞行控制系统作为四旋翼的“神经中枢”，是保证四旋翼稳定、精准飞行，完成飞行任务的前提。然而，四旋翼自身的运动/动力学模型具有欠驱动、强耦合、非线性的特性，并且四旋翼飞行过程中极易受到外界随机干扰的影响。此外，随着四旋翼飞行任务向多样化、复杂化和精细化方向发展，对闭环系统稳定性、暂态性能、稳态精度以及抗干扰能力提出了更为苛刻的要求。以比例-积分-微分(PID)、线性反馈化为代表的常规控制方法已经难以适用，亟需开展适应四旋翼典型模型特征以及具备强抗扰能力的飞行控制方法研究。

参数不确定性和外部干扰是影响四旋翼飞行器轨迹/姿态控制品质的关键因素。具体而言，受限于缺少精密测量仪器，四旋翼的三轴转动惯量参数难以获取，四旋翼外设的变化往往导致飞行过程中飞行器质量发生变化，上述质量和转动惯量测量难题造成了四旋翼的参数不确定性问题，而外部干扰主要指大气风场引起的未知干扰力矩。若在控制器设计过程中对上述干扰的影响不加以考虑，将会导致四旋翼飞控性能急剧恶化、甚至失稳，难以保证飞行安全。现有用于四旋翼飞行器的抗干扰控制方法仅仅考虑了外部风扰和气动参数不确定性，对于严重影响飞行品质的转动惯量等参数不确定性缺乏重要关注。此外，已有研究大多将外部干扰和参数不确定性视为有界集总扰动，采用自适应估计或者干扰观测器对上述干扰作用进行观测并补偿，最后与滑模或动态面控制器综合，以应对未知干扰的不利影响。不难发现，已有研究中并未对施加的干扰进行分离与分类，仅采用单一的抗干扰机制(如干扰补偿或参数估计)处理未知外界扰动和不确定性，控制效果具有较大保守性，控制性能存在鲁棒性不足的缺陷。因此针对上述控制方法中的多种缺陷，需要提供一种综合考虑并克服多种缺陷的复合抗干扰控制方法。

发明内容

本发明针对四旋翼空间飞行过程中广泛存在的质量、转动惯量等参数不确定性和外部干扰，通过有效复合参数辨识和干扰抑制两种抗干扰措施，提出了一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰控制方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，包括以下步骤：

(1)建立考虑参数不确定性和外部干扰的四旋翼运动/动力学矢量化模型，四旋翼运动/动力学矢量化模型为：