[发明专利]基于饱和受限情况下的无人机自适应跟踪控制算法

说明书

本发明公开了一种基于饱和受限情况下的无人机自适应跟踪控制算法，本发明方法包括以下步骤：首先，基于牛顿—欧拉模型建立非线性、欠驱动的四旋翼无人机模型，实现四旋翼无人机模型数学化处理；然后，基于输入饱和受限函数模型，建立系统框架和选取输入受限函数；其次，基于滑模变结构控制方法，实现四旋翼无人机位置子系统的控制处理；最后，基于自适应跟踪控制方法，引入自抗扰控制处理无人机不可控的扰动，实现四旋翼无人机姿态子系统的控制处理。本文所提方法能在无人机输入饱和受限、系统扰动不知且不可控等复杂情况下，采用双闭环的控制模型，实现无人机位置和姿态的自适应跟踪控制，最终使无人机飞行状态达到稳定。

技术领域

本发明涉及一种无人机控制算法，具体的说是一种四旋翼无人机跟踪控制算法，属于工业自动控制技术领域。

背景技术

四旋翼无人机是一种具有六个自由度的垂直起降飞机，可以突破跑道限制并自由悬停。与其他无人机平台相比，它具有结构简单，稳定，超强的灵活性。四旋翼无人机广泛应用于战术侦察，航空摄影，电磁干扰，短途货运等领域。对四旋翼无人机的研究具有重要的现实意义，已成为国内外研究的热点之一。

目前，大量学者将四旋翼无人机作为复杂的非线性，多变量，欠驱动控制系统来研究。并且，已有许多关于四旋翼无人机跟踪控制的论文发表出来。近年来，针对四旋翼无人机系统的位置和姿态控制的研究，不同学者分别提出了自抗扰(ADRC)，滑模控制，预测控制，反步法控制，自适应控制以及鲁棒控制等控制方法。然而，四旋翼无人机具有非线性，高阶，强耦合和欠驱动的特点，导致其稳定性分析和控制器设计难以实现。

在四旋翼无人机控制系统中，滑模控制和自适应跟踪控制被广泛采用。本发明提出了一种基于滑模控制和自适应跟踪控制的双闭环控制器，用于控制四旋翼无人机的位置和姿态。在本发明所提出的双闭环结构中，滑模控制用于控制外环的位置子系统，自适应跟踪控制用于控制内环的姿态子系统。

然而，在实际飞行中，无人机必须进行大量的机动性飞行，并且所需的控制量通常超过执行器可提供的最大输出(执行器的饱和特性)。这样的限制往往降低实际的飞行控制性能，在严重的情况下，它可能会导致整个系统的不稳定。因此，在飞行控制中需要考虑致动器饱和的影响。本发明提出了一类具有输入约束的不确定MIMO非线性系统的自适应跟踪控制。引入辅助设计系统来分析输入约束的影响，并将其状态用于自适应跟踪控制设计。

本发明基于全局稳定轨迹跟踪控制算法，提出了一种欠驱动四旋翼无人机控制模型。将四旋翼无人机系统将分为欠驱动位置子系统和姿态子系统。对于这样的双闭环控制系统，位置子系统控制器采用滑模控制方法设计。考虑到输入饱和约束的影响，姿态子系统采用自抗扰和自适应跟踪控制方法设计。通过这样的控制器设计，可以顺利跟踪四旋翼无人机系统的位置和姿态角。并且，双闭环控制系统也将具有全局稳定性。

发明内容

本发明为解决四旋翼无人机系统在输入饱和受限的控制情况下，提出了一种基于饱和受限情况下的无人机自适应跟踪控制算法，采用双闭环的控制框架，对外环采用滑模控制方法控制位置子系统，对内外采用自适应控制方法控制姿态子系统，从而达到了四旋翼无人机系统在输入饱和受限的情况下所期望要求的效果。

本发明提供一种基于饱和受限情况下的无人机自适应跟踪控制算法，包括以下步骤：

步骤A、在考虑扰动存在的情况下，建立四旋翼无人机的二阶系统数学模型；

步骤B、基于四旋翼无人机的二阶系统模型，对于外环位置子系统，提出滑模控制器对无人机系统进行控制，以实现对无人机位置状态的控制；

步骤C、基于四旋翼无人机的二阶系统模型，对于内环姿态子系统，提出自适应控制策略对无人机系统进行控制，以实现对无人机姿态状态的控制。

作为本发明的进一步限定，步骤A具体为：所述二阶系统数学模型为