[发明专利]一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法

说明书

本发明提供一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法，首先将四旋翼无人机分为位置子系统和姿态子系统并建立对应的数学模型，定义位置子系统的误差函数，让其沿着期望轨迹飞行。紧接着，在姿态子系统俯仰角θ发生时变故障的情况下，运用基于自适应终端滑模的控制方法设计控制律，将无人机姿态角误差镇定到零，实现自适应容错。该发明提出的基于自适应终端滑模的四旋翼无人机容错控制方法能够在有限时间内有效解决时变故障问题，降低噪声的影响，运用在侦察、救援、巡航等任务中。

技术领域

本发明涉及无人机容错控制技术领域，尤其涉及一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法。

背景技术

随着自主控制高新技术的迅猛发展，现代装备日趋向更为集成化、智能化、复杂化的方向深入研究。而无人机作为新兴作战装备，由于其“机上无人”的特点，可在超越人生理极限的环境中执行任务，因此已经越来越广泛的应用于军事活动，执行侦察监视、反恐打击等任务。但正是由于无人驾驶的特性，这对无人机的容错控制提出了更高的要求。

旋翼无人机是一种稳定性差、不易控制的飞行器，具有多变量、非线性耦合、柔性结构等多种动力学特性，在飞行过程中会遇到突风、发动机振动等多种扰动，其机械部件和控制系统极易出现故障。如果故障不能被有效检测出来或者在有限的控制周期内没有对控制器及时处理，旋翼无人机就会因静不稳定的特点失去控制，导致重大损失，甚至造成地面人员的伤亡。由此，对于旋翼无人机的故障诊断与容错控制技术的研究就成为了提高其安全性和可靠性的迫切任务。

绝大多数现有研究结果中的执行器失效因子都是时不变的。然而，对于运用到实际生产生活中时，时不变的失效因子显然与实际无人机遇到的情况不一致。此外，应该指出一般研究的时不变执行器失效故障的容错控制技术不能直接应用于时变执行器失效故障容错控制。因此，研究时变执行器失效故障容错控制更有意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法，该方法可以处理在无人机执行任务时，执行器发生故障时，运用自适应容错补偿机制，使得无人机更快的处理故障，重新回到运动轨迹上来。有利于无人机户外执行任务时，当遇到执行器故障时，在有限时间内迅速处理故障，可广泛运用到侦察、救援、巡航等任务中。

本发明提供一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法，所述方法步骤如下：

步骤S1：建立基于拉格朗日牛顿方程构建四旋翼无人机的数学模型；

其中：φ,θ,ψ分别为四旋翼无人机的滚转角、俯仰角和偏航角；

x,y,z为四旋翼无人机质心的位置坐标；l是旋翼末端到旋翼前端的距离；m为四旋翼无人机的质量，I为每个轴的转动惯量，K₁～K₆为阻力系数；u₁～u₄为虚拟控制输入；表示无人机沿着x,y,z方向的速度；表示无人机在沿着x,y,z方向的加速度；表示对应角度的一阶导数；表示对应角度的二阶导数；

步骤S2：四旋翼无人机基于滑模的位置控制律：

其中，U(t)＝[u_1x u_1y u_1z]^T是虚拟控制输入，K＝[K₁ K₂ K₃]^T，是误差方程的一阶导数，S₁是滑模面；Λ＝[κ₁κ₂κ₃]，Π＝[η₁η₂η₃]；