[发明专利]一种四旋翼无人机复杂轨迹的全回路复合动态逆跟踪控制方法

权利要求书

1.一种四旋翼无人机复杂轨迹的全回路复合动态逆跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建包含四旋翼无人机位置回路子系统和姿态回路子系统的受扰四旋翼无人机全回路系统模型；

(2)将四旋翼无人机的轨迹跟踪问题转化为位置环跟踪误差和姿态环跟踪误差的镇定问题；

(3)设计四旋翼无人机位置和姿态子系统的扩张状态干扰观测器；

(4)针对四旋翼无人机位置子系统，通过引入虚拟控制量，设计复合动态逆控制器；

(5)通过代数转换，将位置环的虚拟控制量转化为所需升力指令和四旋翼无人机姿态环的姿态指令；

(6)针对四旋翼无人机姿态子系统，设计复合动态逆控制器，获得三个轴向所需力矩的大小，实现复杂轨迹的高精度跟踪；

所述步骤(1)包括以下步骤：

(11)构建受扰四旋翼无人机的位置子系统模型：

其中，x,y,z表示四旋翼无人机的位置，X轴正向定义为沿当地经线的切向方向，指向正北方；Y轴正向定义为沿当地纬线切向方向，指向正东方；Z轴正向定义为垂直于当地水平面，根据右手定则指向地心方向，D_x,D_y,D_z表示三个轴向的集总干扰，x表示四旋翼无人机x轴向位移，表示x轴向速度；y表示四旋翼无人机y轴向位移，表示y轴向速度；z表示四旋翼无人机z轴向位移，表示z轴向速度；φ,θ,ψ表示四旋翼无人机的姿态，φ表示四旋翼无人机的滚转角，θ表示四旋翼无人机的俯仰角，ψ表示四旋翼无人机的偏航角；m表示四旋翼无人机的质量，g表示重力加速度，U_P表示四旋翼无人机产生的总的升力，k_d表示速度阻尼系数；

(12)构建受扰四旋翼无人机姿态子系统模型：

其中，w_x，w_y和w_z表示绕x，y和z轴的旋转角速度；J_x，J_y和J_z表示绕x，y和z轴的转动惯量；τ_x，τ_y和τ_z表示作用在x，y和z轴的力矩；D_Ax,D_Ay,D_Az表示三个轴向的集总干扰；为了简化书写，引出如下定义：

则可将四旋翼无人机姿态子系统的动态重写为如下形式：

根据姿态动态方程可以得到姿态角二阶动态：

其中，表示W对时间的导数，和分别表示Θ的一阶和二阶导数；

所述步骤(2)的实现过程如下：

定义位置跟踪误差为：e_x＝x-x_d,e_y＝y-y_d,e_z＝z-z_d，其中x_d,y_d,z_d为轨迹参考信号，考虑外风环境干扰，可得位置跟踪误差子系统：

定义姿态跟踪误差方程：

其中，Θ_d＝[φ_d θ_d ψ_d]^T为期望姿态角，则可得姿态系统跟踪误差动态：

则可得到姿态角跟踪误差系统动态：

其中，D_LA∈R³为姿态跟踪误差系统中的集总干扰，其表达式为：

所述步骤(3)具体包括以下步骤：

(31)对于四旋翼无人机的位置子系统设计扩张状态观测器，通过引入虚拟控制量a_xu，a_yu和a_zu实现三个位置通道集总干扰的渐近估计：

则X、Y和Z轴向扩张状态观测器可分别设计为：

其中，l_x1、l_x2、l_y1、l_y2、l_z1、l_z2、为观测器参数，且均为正常数，分别表示位置三轴集总干扰的估计值；

(32)针对姿态跟踪误差子系统设计扩张状态观测器以实现姿态角跟踪误差变化率和集总干扰的渐近估计：

其中，L_A1,L_A2,L_A3为观测器增益，且均为三维正对角矩阵，和分别为和D_LA的估计值。