[发明专利]一种四旋翼飞行器的全局鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法

权利要求书

1.一种四旋翼飞行器的全局鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法，其特征在于，其步骤包括：

步骤1)：建立四旋翼飞行器的非线性动力学模型，四旋翼飞行器动力学模型分为姿态环与位置环两个控制回路；

步骤2)：引入虚拟变量来描述由系统内部不确定性因素和外界扰动组成的集总干扰，集总干扰项被转化为单一虚拟变量的线性化模型；

步骤3)：采用反步法设计虚拟量的自适应控制律，采用自适应策略来在线估计虚拟变量，对集总干扰进行等效补偿；

所述步骤1)具体为：

步骤1.1)：建立四旋翼飞行器的运动学模型:

其中，P＝[x,y,z]^T∈R³为四旋翼飞行器在惯性坐标系下的位置向量，Θ＝[φ,θ,ψ]^T∈R³为四旋翼飞行器在惯性坐标系下的欧拉角向量，v＝[v₁,v₂,v₃]^T∈R³为四旋翼飞行器在机体坐标系下线速度向量，ω＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T∈R³为四旋翼飞行器在机体坐标系下角速度向量，R_BI与S_BI分别为机体坐标系到惯性坐标系的变换矩阵，具体为：

式中，s_(·)＝sin(·)，c_(·)＝cos(·)，t_(·)＝tan(·)，φ为横滚角，θ为俯仰角，ψ为偏航角；

步骤1.2)：四旋翼飞行器受到的总力F_s和总力矩T_s为：

其中，为每个旋翼产生的升力，T_r为旋翼产生的力矩和，F_air＝K_fv和T_air＝K_tω分别为空气阻力作用于机体上的阻力和阻力矩，K_f和K_t分别为空气阻力系数，F_d与T_d分别为外部干扰力与外部干扰力矩；

步骤1.3)：根据Newton-Euler方程推导出四旋翼的刚体动力学模型为：

其中，J＝diag(J_x,J_y,J_z)∈R^3×3为机体转动惯量；

步骤1.4)：建立四旋翼飞行器的非线性动力学模型：

所述外部干扰力F_d与外部干扰力矩T_d分别由阵风干扰、负载变化、近地效应和电机振动组成；

所述步骤2)具体为：

步骤2.1)：将非线性动力学模型转化为二阶系统的形式：

其中，X₁＝[x,y,z,φ,θ,ψ]^T和X₂＝[v₁,v₂,v₃,ω₁,ω₂,ω₃]^T分别为四旋翼飞行器系统的状态变量及其对时间的一阶导数，B＝diag[1,1,1,1/J_x,c_φ/J_x,c_φ/c_θ/J_x]为控制增益，R(Θ)为旋转矩阵，具体形式为：

另外，D∈R⁶为外部干扰向量，其具体形式为：

Δf和ΔB分别表示未建模参数对系统的影响；

函数f(X₁)的表达式为：

U∈R⁶是系统的虚拟控制量，由四个真实控制量扩张而成：

其中，u＝[u₁,u₂,u₃,u₄]^T为真实控制量，m为四旋翼的总质量；

步骤2.2)：定义集总干扰项L为：

L＝Δf+ΔBU+D

步骤2.3)：联立步骤2.1)和步骤2.2)，得线性化模型：

所述步骤3)具体为：

定义四旋翼飞行器轨迹跟踪误差及其一阶导数分别为s₁＝X₁-X_r与s₂＝X₂-α，为虚拟控制量，则设计全局鲁棒控制律与其自适应律分别为：

其中，k₂＞0、c＞0、σ＞0都是可调参数，是δ的估计值。

2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器的全局鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述可调参数由樽海鞘算法进行整定。