[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

说明书

本发明公开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：首先，将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，明确稳定姿态角、实现高精度轨迹跟踪的控制目标；其次，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；进而，采用自适应策略来在线估计虚拟变量，实现对集总干扰的等效补偿；同时，设计反步法控制律来加快系统状态量的收敛速度，提高轨迹跟踪精度。本发明不依赖四旋翼系统模型，计算量小，实时性强，易于工程实现，且能够保证较好的轨迹跟踪精度与较高的鲁棒性，适合于四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的实现。

技术领域

本发明属于空中机器人的动力学与控制研究领域，尤其涉及一种四旋翼飞行器的全局鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法。

背景技术

四旋翼无人飞行器(Quadrotor unmanned aerial vehicle，QAV)具有结构简单、成本低廉、操作灵巧等优点，可实现垂直起降、定点悬停等运动，近年来在军事和民用领域的应用激增，如航空摄影、物流运输、农林植保、巡航监视等；其中，轨迹跟踪控制算法是QAV执行各种任务的前提之一。然而，QAV的非线性、强耦合、欠驱动等复杂的动力学特性给控制算法的设计带来了一定的挑战；另外，由外部干扰(阵风、地面效应)和模型参数不确定性(如未建模动态、载荷变化、质量分布变化)构成的集总干扰也会导致飞行控制系统性能降低，甚至破坏系统的稳定性，进而加剧了控制算法设计的难度。采用经典的线性控制方法虽然可以实现QAV的飞行控制，如LQR、PID和H_∞等，但无法保证大范围飞行包线内对集总干扰的鲁棒性和抗干扰能力。

为了提高QAV飞行控制系统的鲁棒性和抗干扰能力，学者们大都偏爱采用先进的控制策略来设计轨迹跟踪控制器。例如，Raffo等人[Raffo G V,Ortega M G,Rubio F R.Anintegral predictive/nonlinear H∞control structure for a quadrotor helicopter[J].Automatica,2010,46(1):29-39.]提出了一种分级控制结构，其中外层采用模型预测控制器(MPC)控制位置坐标，内层采用H_∞控制方法稳定姿态角并且控制航向。然而，由于耦合作用的存在，该文献无法证明系统的全局稳定性和全局鲁棒性。根据现有报道分析，只有少数研究工作关注轨迹跟踪控制系统的全局稳定性分析。Abdessameud等人[AbdessameudA,Tayebi A.Global trajectory tracking control of VTOL-UAVs without linearvelocity measurements[J].Automatica,2010,46(6):1053-1059.]使用单位四元数来表示QAV的姿态，应用分层控制结构，提出了一种无需测量线速度的全局轨迹跟踪控制器，实现了系统的全局渐近稳定性。然而上述研究工作没有考虑系统对模型参数变化的鲁棒性。

为了进一步提高QAV轨迹跟踪控制算法的性能，亟待解决系统存在的参数不确定性、未知的有界扰动、输入饱和等问题，以提高四旋翼的控制精度。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种四旋翼飞行器的全局鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法，针对现有四旋翼飞行器轨迹跟踪控制性能易受模型参数不确定性和未知外部干扰影响的问题，提供了一种具有更优控制性能且容易工程实现的控制方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：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。