[发明专利]四旋翼飞行器有界输出控制

说明书

一种四旋翼飞行器有界输出控制方法。本发明针对四旋翼飞行器实际起飞时输出值超调过大问题，设计了一种基于障碍Lyapunov函数(barrier Lyapunov function，BLF)的有界输出控制方法，该方法不仅能使四旋翼飞行器的实际输出值跟踪上期望输出值，还能够使实际输出值始终保持在预先设定的安全范围内。该方法采用BLF与滑模控制相结合设计控制器，利用BLF将传统滑模面约束在一定的范围内，从而保证四旋翼飞行器输出值保持在一定的范围内，最后证明了该控制系统是稳定的，同时能保证实际输出值有界。

技术领域

本发明属于四旋翼无人飞行器的技术领域，特别是涉及一种四旋翼无人飞行器的输出有界控制方法。

背景技术

近些年来，四旋翼飞行器由于其结构简单且具有垂直起降、定点悬停、侧飞、倒飞等高机动性的特点而被广泛关注，其中控制器的设计是一个研究热点，各国学者都在设计不同的控制器对四旋翼无人机的位置、姿态进行控制。目前对四旋翼飞行器的控制方法主要有PID控制、反步法控制、动态面控制、滑模控制、自抗扰控制等。虽然这些方法有效地实现了四旋翼飞行器的稳定控制，但鲜有考虑其有界输出问题，对四旋翼飞行器来说，其位置、姿态的有界输出控制有助于改善其动态性能，且能够有效保证四旋翼飞行器和操作人员的安全。

目前实现有界输出控制的方法主要有：基于不变集和允许集的控制、模型预测控制、参考设定法。然而，以上方法要么依赖于数值计算要么所提出的算法相当复杂，很难应用到实际系统中。一些学者应用障碍Lyapunov函数(barrier Lyapunov function，BLF)方法实现了有界输出控制，针对一类严格反馈非线性系统，将BLF和反步控制方法相结合来设计控制器来保证输出有界。针对一类含有Bouc-Wen迟滞模型的输出受限非线性系统，将BLF和反步控制方法相结合来设计控制器，解决了系统输出有界问题。针对海洋表面船只系统的输出受限问题，利用BLF结合反步法设计控制律，并用神经网络来逼近未知模型参数和干扰项。但是基于BLF函数的非线性系统反步控制中，存在控制器结构复杂、约束量初值选取区间小等问题，针对以上问题一些学者提出了一种基于非线性映射的自适应反步控制方案，增加了系统初值选取，降低了控制器设计的复杂性。一些学者提出采用切换控制方法，通过滑模控制将系统约束量控制到BLF的收敛域之内，然后采用BLF和反步法设计控制器，实现输出有界控制。针对一类具有未建模动态的非线性系统，有学者提出一种基于BLF和自适应动态面的控制方案，采用动态面的控制方法相较于反步法，降低了控制器设计的复杂性，但是反步法和动态面控制方法需要对控制对象进行精确建模，抗干扰能力较差。

因此，本发明提供了一种新颖的四旋翼飞行器控制方法，针对四旋翼飞行器实际起飞时姿态超调过大问题，设计了一种四旋翼飞行器有界输出控制，该方法不仅能保证四旋翼飞行器姿态角能快速跟踪上期望值，还能使姿态角始终保持在一定的安全范围内，从而实现四旋翼飞行器的安全稳定控制。

发明内容

本发明的目的是解决现有四旋翼飞行器稳定控制存在的不足，提供了一种四旋翼飞行器有界输出控制方法。

本发明提出了一种新颖的四旋翼飞行器的稳定控制方法。该方法最大的特点是不仅能保证四旋翼飞行器系统输出能快速跟踪上期望值，还能使系统输出值始终保持在一定的安全范围内，从而实现四旋翼飞行器的安全稳定控制。该控制方法利用障碍Lyapunov函数将传统滑模面约束在一定的范围内，从而使系统输出能够始终保持在一定的安全范围内，仿真结果证明本方法有效可靠。

本发明主要做出了以下几方面贡献：1.与普通稳定控制方法相比，本发明所提控制所发不仅能保证四旋翼飞行器系统输出能快速跟踪上期望值，还能使系统输出始终保持在一定的安全范围内；2.与上述解决方案相比，本发明采用BLF与滑模控制方案相结合设计控制器，具有更强的鲁棒性和更简单的控制器结构；3.大多数文献只进行了数值仿真，本发明进行了实验验证。

本发明提供的四旋翼飞行器有界输出控制方法包括：