[发明专利]一种空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制方法

权利要求书

1.一种空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对抓捕器位置外环的滑模控制设计，包括以下子步骤：

子步骤一：条件限定：假设俯仰和滚装通道的姿态角与零的差值小于设定阈值，忽略姿态内环偏航角的延迟控制对位置环的影响，且定义输入控制器的位置信息不存在误差；

子步骤二：定义位置环的线性滑模面为X＝[x y]^T代表由相机得到的抓捕器与目标位置的偏差，包括轴x和y轴的偏差，表示通过滤波得到的速度信息，包括x轴和y轴的速度信息，a₁表示抓捕器向目标位置的收敛指数；x轴方向为上端无人机平台的质心指向目标物的方向，y轴方向为与x轴方向处于同一水平面内且垂直于x轴方向；

子步骤三：对位置外环的线性滑模面求导可得：首先令得到滑模控制的等效控制量其中为滤波得到的速度信息，则完整的位置外环控制量为：其中k₁表示切换参数，且N表示位置控制中允许的最大加速度；

子步骤四：定义T＝[T_x T_y T_z]^T为系绳张力，l表示绳长，g表示当地重力加速度；

子步骤五：根据子步骤三，得到系绳抓捕器系统的位置动力学模型：其中，m为抓捕器质量，F_x表示x轴方向的推力，F_y表示y轴方向的推力；将子步骤四带入模型中得到期望的位置外环的推力；

子步骤六：通过力分配模型：

得到双涵道风扇的总推力F_sum以及期望的内环偏航角姿态β_e；

步骤二：对抓捕器姿态内环的非线性滑模控制设计，包括以下子步骤：

子步骤一：条件限定：假设偏航角β能够实时跟踪外环的需求，不考虑对内环控制造成的影响，同时忽略姿态角的误差，且忽略角速度向姿态角速度的转移矩阵随时间的变化；

子步骤二：定义姿态内环的非线性滑模面为S₂＝a₂arctan(b₂σ)+Gω，其中σ＝[γ α(β-β_e)]，γ为滚转角、α为俯仰角、β为偏航角，ω为抓捕器角速度、G为角速度ω向姿态角变化率的转移矩阵，满足a₂,b₂为非线性滑模的收敛指数，其中G的具体表达式为：

即得到姿态内环的非线性滑模面收敛指数a₂,b₂；

子步骤三：对姿态内环的非线性滑模面求导：令得到系统的等效控制量其中是通过姿态传感器反馈得到的，且角速度反馈信息存在±0.01°s^-1的误差，则完整的内环控制量为：

其中

其中表示在0≤σ≤π之间取值时的最大值，N₂表示姿态控制中允许的最大角加速度；

子步骤四：通过刚体姿态动力学方程，得到抓捕器的三轴期望力矩M：

其中I表示抓捕器的转动惯量，M＝[M_x M_y M_z]^T，M_x,M_y,M_z含义为期望力矩矢量M在x,y,z三轴上的标量分量；

步骤三：根据上述步骤一和步骤二，得到

其中d为涵道风扇安装位置于质心的水平偏差，F₁,F₂为涵道风扇的推力，x_c为丝杆滑块机构中滑块移动的偏移质心距离，完成对空中快速偏航抓捕器的位姿滑模控制。