[发明专利]一种具有高精度的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种具有高精度的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，包括：将位置参考指令信号、速度参考指令信号、无人机位置和速度输入到平动子系统控制律中，计算得虚拟控制律；将虚拟控制率做坐标变换，得到旋翼产生的合升力、无人机的欧拉角参考指令信号；将欧拉角参考指令信号、无人机的欧拉角输入欧拉角控制律，计算无人机的角速度参考指令信号；将角速度参考指令信号、无人机的角速度输入角速率控制律，计算旋翼作用在无人机的转矩；将合升力和转矩输入无人机模型，进行无人机轨迹跟踪控制。本发明通过将预设性能函数纳入到控制律设计过程中，实现了高精度的轨迹跟踪控制；由于不依赖精确的模型参数和任何估计器，确保了控制的鲁棒性与实时性。

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，特别是涉及一种具有高精度的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法。

背景技术

四旋翼无人机具有重要的军用和民用价值，因而它一直是飞控领域的研究热点。近年来，四旋翼无人机被广泛地用于军事巡逻、包裹运输和航拍等方面。但四旋翼无人机是典型的多变量、非线性、欠驱动与强耦合系统，使得识别其精确的气动参数与模型参数相当困难，因此进行高精度的轨迹跟踪控制是非常有难度的。

由于四旋翼无人机的欠驱动动力学特性，通常需要将其分为平动和转动两个子系统并分别设计控制律。鉴于此，通过充分考虑模型非线性与飞行状态边界，滑模控制、有限时间收敛控制和自适应控制等控制方案被应用于四旋翼飞行器轨迹跟踪控制中。然而，上述控制方案均依赖于四旋翼无人机仿射模型。事实上，由于强耦合与非线性，四旋翼无人机姿态角角速度子系统为典型的非仿射系统。近十年来，非仿射控制方法得到了大量的研究。通过假设非仿射函数连续可导并基于泰勒公式或拉格朗日中值定理可将非仿射函数伪仿射化，从而得到便于设计各种基于控制律的控制方法。然而，在实际应用中，难以保证这些控制律中非仿射函数存在且有界，导致无法达到理想的轨迹跟踪控制精度。

发明内容

本发明实施例提供了一种具有高精度的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种具有高精度的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

将位置参考指令信号、速度参考指令信号以及无人机模型反馈的无人机位置和速度输入到平动子系统控制律中，计算得到虚拟控制律；

将所述虚拟控制律进行坐标变换，得到旋翼产生的合升力、以及无人机在地面坐标系的欧拉角参考指令信号；

将所述欧拉角参考指令信号以及所述无人机模型反馈的无人机在地面坐标系的欧拉角输入欧拉角控制律，计算得到无人机在体坐标系下的角速度参考指令信号；

将所述角速度参考指令信号以及所述无人机模型反馈的无人机在体坐标系下的角速度输入角速率控制律，计算得到旋翼作用在无人机上的转矩；

将旋翼产生的合升力以及旋翼作用在无人机上的转矩输入所述无人机模型，对无人机进行轨迹跟踪控制；

其中，所述平动子系统控制律在设计中均引入了具有小超调的性能函数，以实现高精度的轨迹跟踪控制，所述欧拉角控制律在设计中引入了特定初始值的性能函数，以确保闭环系统的稳定。

本发明中的一种具有高精度的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法，与现有的研究结果相比，本发明提出的控制方法不依赖精确的模型参数。为了增强控制律的适用性，针对角速度子系统建立了非仿射模型，并采用了相应的可控性假设。此外，采用非对称性能函数，实现了小超调的跟踪控制。本发明所采用的控制方法无需任何估计器，大大简化了控制律结构，降低了计算复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。