[发明专利]基于L1自适应控制的四旋翼直升机轨迹跟踪控制方法

说明书

一种基于L₁自适应控制的四旋翼直升机轨迹跟踪控制方法，在惯性坐标系中建立四旋翼直升机的数学模型，该数学模型包含位置子系统的位置数学模型和姿态子系统的姿态数学模型，规划一个连续光滑轨迹作为四旋翼直升机的参考信号，实现四旋翼直升机在规定时间内的稳定跟踪，设计位置子系统的L₁自适应轨迹跟踪控制器，得到位置子系统的控制输入信号，由位置子系统的L₁自适应轨迹跟踪控制器提取获得期望的俯仰角和滚转角，并计算得到四旋翼直升机总的升力，设计姿态子系统的L₁自适应轨迹跟踪控制器，得到四旋翼直升机总的输入力矩。本发明在较大的自适应增益条件下，仍对外界扰动有很好的鲁棒性，既能保证系统的暂态响应性能又能保证闭环的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及无人机轨迹跟踪控制技术领域，尤其涉及一种基于L₁自适应控制的四旋翼直升机轨迹跟踪控制方法。

背景技术

近年来，旋翼式无人飞行器具有起飞着陆占用场地小，可垂直起飞和降落，能够灵活地在空中悬停，操作灵活等优点，其自主飞行技术一直是航空领域的研究热点。其中，在军用领域，四旋翼直升机可以用于情报获取、监视敌方情况和侦查任务等，又能够用于战损评估、通信中断等任务；随着无人机的快速发展，因为其成本比较低、操纵简单、灵活性比较高等优点，其应用逐步开始向民用领域扩展，主要体现在影视航拍、警务执法、智能物流等，尤其是在警用领域案件侦办等方面起到了关键性作用。

随着人工智能技术、微机电系统MEMS技术及控制理论技术的日益成熟和发展，控制领域的众多研究者一直都非常关心并潜心研究飞行器自主飞行控制算法的设计。与经典控制的方法利用非线性控制理论设计的控制算法，其控制效果在这方面明显优于经典控制算法。且随着处理器运算速度的提高，现代非线性控制方法的优点更加的突出。自适应控制理论是由Cao Chengyu和Naira Hovakimyan在2006年首先提出，其特点是在传统的自适应机制的基础上进行演化，通过引入低通滤波器与增大自适应增益，并将自适应理论扩展到非线性系统。Bouabdallah分别运用Backstepping和Slide-mode控制技术实现四旋翼直升机的轨迹跟踪控制。可以看出，四旋翼直升机的研究也为自动控制技术，传感器技术和计算机科学等很多领域的结合研究提供了一个很好的平台。在三维路径规划控制等方面，四旋翼直升机自主飞行控制研究都具有很好的研究价值。针对四旋翼进行轨迹跟踪控制器设计，具备很强的前瞻性和前沿性。

专利CN 102809970A(一种基于自适应控制的飞行器姿态控制方法)给出了无人机姿态控制方法，设计了输入状态观测器，对无人机姿态子系统中的不确定和外部干扰进行了估计，由于自适应控制器加入了低通滤波器，对姿态子系统的暂态响应速率产生影响，使得由位置子系统和姿态子系统构成的整个无人机系统的暂态响应速率以及闭环鲁棒性产生的影响有待分析。

专利CN 106054884A(基于神经网络的自适应船舶动力定位系统)应用了自适应控制理论对船舶动力系统进行定位，并对船舶动力系统设计成双环控制系统，并在自适应控制理论的基础上引入神经网络对未知部分进行估计，并且选取了一阶低通滤波器，但没并没有给出低通滤波器的选取方案，缺少理论依据。

专利CN 106292297A(基于PID控制器和自适应控制器的姿态控制方法)通过PID控制器对飞行器姿态系统进行稳定控制，再利用自适应控制器适时估计扰动误差，并对扰动进行补偿。由于自适应控制器加入了低通滤波器，并未对自适应增益对系统的响应速率及鲁棒性的影响进行分析。

2011年第18届IFAC会议中发表的文献《A feedback linearization approach tofault tolerance in quadrotor vehicles》在控制领域中，VTOL无人飞行器轨迹跟踪控制设计的基本思想均是采用内外环结构来设计空置律，然而这种基于内外环结构的控制器对内环响应速率比较高，当飞行器偏离悬停位置时系统的飞行性能明显恶化，且对于逆模型误差和状态耦合的稳定性和鲁棒性缺乏严格的理论分析。