[发明专利]四旋翼飞行器有限时间Super-Twisting滑模控制方法

说明书

本发明涉及一种四旋翼飞行器有限时间Super‑Twisting滑模控制方法，其包括如下步骤：（1）设定期望的跟踪位置，通过Super‑Twisting算法结合四旋翼飞行器位置动力学模型，四旋翼飞行器位置控制器计算输出位置并实现有限时间稳定；（2）根据姿态期望，利用四旋翼飞行器位置动力学模型对四旋翼飞行器的目标姿态进行姿态解算，通过Super‑Twisting算法结合四旋翼飞行器姿态动力学模型，四旋翼飞行器姿态控制器计算输出姿态并实现有限时间稳定。本发明的方法解决了传统滑模控制中的抖振问题，且能够实现有限时间收敛。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞行器有限时间Super-Twisting滑模控制方法。

背景技术

几十年来，由于其固有的特性，四旋翼直升机一直受到军事，民用和工程学学者的广泛关注。小型无人机(例如四旋翼飞机)的应用范围非常广泛，例如在恶劣环境下的军事侦察，民用物流，航空摄影以及农药喷洒。为了提高飞机在各种情况下的稳定性和可靠性，学者们在四旋翼无人机的智能控制研究中取得了很多研究成果。四旋翼已有众多控制策略，但由于四旋翼系统为复杂欠驱动系统，传统PID算法、滑模控制、反步法、模糊控制等并不能满足实际控制需求。

PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值r(t)与输出值c(t)进行比较构成控制偏差。

e(t)＝r(t)-c(t)

将其按照比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图1所示，所以简称P(比例)、I(积分)、D(微分)调节器。

应用PID算法对四旋翼飞行器的动态性能进行了算例验证，能够使达到稳定的控制，但PID控制策略在参数计算上具有很高的复杂性，且文中应用的控制模型并不够精确，四旋翼飞行器难以在复杂环境下稳定运行。

PID的缺陷，概括起来就是信号处理太简单、未能充分发挥其优点，具体说来，有四个方面：

(1)产生误差的方式不太合理控制目标v在过程中可以“跳变”，但是被控对象输出Y的变化都有惯性，不可能跳变，要求让缓变的变量y来跟踪能够跳变的变量v，初始误差很大，易引起超调，很不合理。

(2)误差的微分信号的产生没有太好的办法由于微分器物理不可实现，只能近似实现。

(3)误差积分反馈的引入有很多负作用在PID控制中，误差积分反馈的作用是消除静差，提高系统响应的准确性，但同时误差积分反馈的引入，使闭环变得迟钝，容易产生振荡，易产生由积分饱和引起的控制量饱和。

(4)线性组合不一定是最好的组合方式PID控制器给出的控制量是误差的现在、过去、将来三者的线性组合。大量工程实践表明，线性组合不一定是最好的组合方式，能否在非线性领域找到更合适的组合方式是值得探索的。

滑模控制能够克服系统的不确定性，对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。滑模变结构控制的原理是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。但滑模控制具有如下缺点：当状态轨迹到达滑动模态面后，难以严格沿着滑动模态面向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从而产生抖振——滑模控制实际应用中的主要障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决了传统滑模控制中的抖振问题，且能够实现有限时间收敛的四旋翼飞行器有限时间Super-Twisting滑模控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种四旋翼飞行器有限时间Super-Twisting滑模控制方法，其包括如下步骤：