[发明专利]具有姿态有界输出的四旋翼飞行器分散控制在审

专利信息
申请号: 201910029809.X 申请日: 2019-01-11
公开(公告)号: CN111435254A 公开(公告)日: 2020-07-21
发明(设计)人: 李康利;师五喜;陈奕梅;李宝全 申请(专利权)人: 天津工业大学
主分类号: G05D1/08 分类号: G05D1/08
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 300387 *** 国省代码: 天津;12
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摘要:
搜索关键词: 具有 姿态 输出 四旋翼 飞行器 分散 控制
【说明书】:

一种具有姿态有界输出的四旋翼飞行器分散控制方法。本发明针对四旋翼飞行器实际起飞时姿态超调过大问题以及姿态动力学模型存在未知多变量耦合问题,设计了一种具有姿态有界输出的四旋翼飞行器分散控制方法,该方法利用分散控制策略首先对姿态子系统之间未知多变量耦合作合理假设,然后引入补偿信号补偿姿态子系统之间的未知多变量耦合。引入一个滤波误差变量,并利用BLF将滤波误差约束在一定的范围内,从而保证四旋翼飞行器的姿态始终保持在一定的范围内。最后通过实验证明了该方法不仅能使四旋翼飞行器的姿态快速跟踪上期望值,还能够使实际输出值始终保持在预先设定的安全范围内。

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稳定控制方法。

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。

由于四旋翼飞行器的姿态和位置之间的耦合,即其水平位置的改变是通过改变姿态角来实现的;在实际飞行过程中,如果飞行器姿态角度太大,会很容易发生飞行事故;因此,四旋翼姿态的有界输出控制可以不仅有助于实现四旋翼飞行器的稳定飞行,还保证了四旋翼飞行器和操作员的安全。目前,一些学者开始应用障碍Lyapunov函数(barrierLyapunov function,BLF)实现有界输出控制,并取得了一些研究成果。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。但是基于BLF和反步法相结合的控制方法中,存在控制器结构复杂、鲁棒性较弱、被约束变量的初始值选取区间小等问题。为了解决上述问题,本文引入了一个滤波误差变量,并利用BLF将滤波误差约束在一定的范围内,从而保证四旋翼飞行器的姿态始终保持在一定的范围内,与上述控制方法相比,该控制方法具有控制结构简单、鲁棒性较强的优点。

目前,大多数关于四旋翼飞行器控制算法的研究只是将所提出的控制方法进行数值仿真验证。也有一些学者开始在半实物仿真平台将所提出的控制方法进行实验验证,但是相关的报导并不多。在实际飞行中,由于受到外部干扰的影响以及自身硬件系统的限制,很难得到姿态子系统之间耦合项的精确值。为了方便实验的进行,许多研究学者通常选择忽略姿态子系统之间的耦合项或者认为建立的动力学模型是精确的。但是,事实上,对实际运行的四旋翼飞行器来说,精确的动力学模型是无法获得的,简化的动力学模型可能会降低控制系统的控制性能。在过去十年中,有许多国内外学者提出了利用分散控制策略来处理大规模复杂系统中的耦合问题。针对具有强耦合项的非线性复杂控制系统设计出了一种自适应分散控制器,对未知耦合项进行合理假设,利用自适应控制方法对其进行补偿,成功地解决了大规模复杂系统中耦合问题。针对一类具有不确定性的非线性大规模系统设计出了一种模糊自适应分散控制器。针对一类具有执行器故障和未知模型的强耦合非线性大规模控制系统提出了一种自适应分散容错控制方案。

因此,本发明提供了一种新颖的四旋翼飞行器稳定控制方法,针对四旋翼飞行器实际起飞时姿态超调过大问题以及姿态动力学模型存在未知多变量耦合问题,设计了一种具有姿态有界输出的四旋翼飞行器分散控制方法,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,提供了一种具有姿态有界输出的四旋翼飞行器的分散控制方法。

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