[发明专利]一种基于非线性滑模的四旋翼飞行器的姿态跟踪方法

说明书

本发明是关于一种基于非线性滑模的四旋翼飞行器的姿态跟踪方法。其首先根据飞行任务设置俯仰角、偏航角、滚转角的期望信号，并通过安装STIM202高精度MEMS陀螺仪测量相应的俯仰角、偏航角、滚转角。通过比较与非线性积分得到相应姿态角的误差信号与误差积分信号。再通过设计非线性混合阻尼器得到相应的俯仰角、偏航角、滚转角混合阻尼信号，最后通过三通道误差角与非线性积分以及混合阻尼信号构造非线性滑模与三通道的非线性滑模控制力矩信号，再反解为四旋翼的旋转速度，实现四旋翼飞行器的三通道姿态稳定跟踪任务。该方法的优点在于混合阻尼与非线性滑模设计，使得系统抗干扰性能好，控制精度高。

技术领域

本发明涉及四旋翼飞行器飞行控制与制导领域，具体而言，涉及一种基于非线性滑模的四旋翼飞行器的姿态跟踪方法。

背景技术

由于科技的发展，四旋翼飞行器具有控制方便、经济成本低廉的特点，在民用领域得到了越来越广泛的运用。在某些特殊的飞行表演任务中，尤其是多四旋翼飞行器的组网飞行表演中，需要单个四旋翼飞行器的姿态控制具有很高的控制精度与很强的抗干扰能力。

基于上述背景原因，本发明提出了一种采用STIM202高精度MEMS陀螺仪测量飞行器的三通道姿态角，然后采用非线性混合阻尼器提供系统所需的微分，并由非线性滑模控制提供系统的抗干扰能力，由非线性积分提供控制精度的方法，达到了很好的控制效果，具有很高的经济价值。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非线性滑模的四旋翼飞行器的姿态跟踪方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的飞行器姿态控制的快速性不足与精度不高的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种基于非线性滑模的四旋翼飞行器的姿态跟踪方法，包括以下步骤：

步骤S10，在四旋翼飞行器上安装STIM202高精度MEMS陀螺仪，测量其俯仰角、偏航角、滚转角，并根据飞行任务设定俯仰角期望信号、偏航角期望信号以及滚转角期望信号，同时进行比较与非线性积分得到俯仰角误差信号、偏航角误差信号、滚转角误差信号与相应的非线性积分信号；

步骤S20，根据所述的四旋翼飞行器的俯仰角测量信号，设计非线性混合阻尼器，得到俯仰角混合阻尼信号；

步骤S30，根据所述的四旋翼飞行器的偏航角测量信号，设计非线性混合阻尼器，得到偏航角混合阻尼信号；

步骤S40，根据所述的四旋翼飞行器的滚转角测量信号，设计非线性混合阻尼器，得到滚转角混合阻尼信号；

步骤S50，根据所述的四旋翼飞行器的俯仰角误差信号、俯仰角误差非线性积分信号与俯仰角混合阻尼信号，设计非线性滑模面，并按照滑模控制规律设计俯仰通道控制力矩信号；

步骤S60，根据所述的四旋翼飞行器的偏航角误差信号、偏航角误差非线性积分信号与偏航角混合阻尼信号，设计非线性滑模面，并按照滑模控制规律设计偏航通道控制力矩信号；

步骤S70，根据所述的四旋翼飞行器的滚转角误差信号、滚转角误差非线性积分信号与滚转角混合阻尼信号，设计非线性滑模面，并按照滑模控制规律设计偏滚转道控制力矩信号。

在本发明的一种示例实施例中，在四旋翼飞行器上安装STIM202高精度MEMS陀螺仪，测量其俯仰角、偏航角、滚转角，并根据飞行任务设定俯仰角期望信号、偏航角期望信号以及滚转角期望信号，同时进行比较与非线性积分得到俯仰角误差信号、偏航角误差信号、滚转角误差信号与相应的非线性积分信号包括：

e₁＝θ-θ^d；

e₂＝ψ-ψ^d；