[发明专利]基于预设性能控制的预设时间四旋翼无人机姿态跟踪方法

权利要求书

1.一种基于预设性能控制的预设时间四旋翼无人机姿态跟踪方法，其特征在于，包括：

建立四旋翼无人机的姿态子系统误差动力学模型，所述姿态子系统误差动力学模型对应的控制目标为不等式约束；

为实现所述不等式约束的控制目标，所述方法还包括建立预设时间性能函数，所述建立预设时间性能函数的步骤包括：建立预设性能控制的基础时变函数；通过所述基础时变函数建立所述预设时间性能函数；

在建立所述基础时变函数和所述预设时间性能函数的步骤之后，所述方法还包括：根据所述四旋翼无人机的所述姿态子系统误差动力学模型、所述基础时变函数和所述预设时间性能函数确定得到所述四旋翼无人机的姿态轨迹跟踪控制器，并通过所述姿态轨迹跟踪控制器对所述四旋翼无人机的期望轨迹进行跟踪；

其中，姿态子系统误差动力学模型为：

其中，x₁、x₂为辅助变量，x₁＝Θ_e，Θ_e＝Θ-Θ_d，Θ表示四旋翼无人机的姿态向量，Θ_d为预期的四旋翼无人机姿态轨迹跟踪信号，J和C为四旋翼的惯量矩阵及科氏项，为Θ一阶导数，τ为作用在滚转、俯仰和偏航通道上的控制力矩，d＝J^-1τ_d，τ_d为无人机在飞行过程中三个姿态通道分别受到的外部干扰力矩，为Θ_d二阶导数；

其中，基础时变函数采用如下公式表示：

其中，预设收敛时间T₁＝5s，μ₁(t₀)＝1，μ₁(T₁)＝∞，t₀为初始时间，t为时间参数；

预设时间性能函数采用如下公式表示：

其中，k_ρ＝1，m＝2，ρ_T＝0.005，ρ为预设时间性能函数，为预设时间性能函数的一阶导数，μ₁为基础时变函数；

所述不等式约束为：

-δρ(t)＜x_1,i(t)＜ρ(t)若x_1,i(t₀)≥0

-ρ(t)＜x_1,i(t)＜δρ(t)若x_1,i(t₀)＜0

其中，i＝1,2,3，δ∈(0,1)，x_1,i(t₀)为t₀时刻下的动力学误差，ρ(t)为关于时间t的预设时间性能函数；

所述方法还包括：通过状态误差转换函数将所述不等式约束转换为等式约束，所述等式约束采用如下公式表示：

其中，p_i(t)为预设时间性能函数，ε_i(t)和α_i(t)为等式约束函数；

根据所述四旋翼无人机的所述姿态子系统误差动力学模型、所述基础时变函数和所述预设时间性能函数确定得到所述四旋翼无人机的姿态轨迹跟踪控制器的具体步骤包括：

令w₁＝μx₁，w₂＝dw₁/dt，其中，

定义一个新的辅助变量：

z＝w₂+kw₁

其中，k＝β+μ-μ₁(m+2)/T₁，β对应为β(t)，

确定w₂和其中，w₂＝-kw₁+z，

其中，

根据姿态子系统误差动力学模型、w₂＝-kw₁+z，以及等式约束函数ε_i和α_i确定得到四旋翼无人机的姿态轨迹跟踪控制器模型：

其中，k₁＝0.1，v为所述μ，αε分别为α_i和ε_i。