[发明专利]四旋翼飞行器预设性能轨迹跟踪反演控制方法及系统

说明书

本发明涉及四旋翼飞行器预设性能轨迹跟踪反演控制方法及系统，该方法首先将欠驱动耦合特性的飞控系统动力学模型进行解耦，构造出位置环和姿态环的双闭环控制结构；再依据有限时间性能函数对飞控系统变量误差进行坐标变换，转换成具有稳态和动态性能要求的系统变量；然后运用反演控制算法结合非线性指数观测器估计综合干扰，以此得出具备较强鲁棒性能的总控制律，从而实现出既定控制目标。与常规性能预设性能函数反演控制方法对比可知，此控制方法进一步增强了四旋翼飞行器轨迹跟踪的暂态和稳态性能，对干扰具有更强的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其是涉及四旋翼飞行器预设性能轨迹跟踪反演控制方法及系统。

背景技术

近年来，四旋翼飞行器因其优越的低空飞行性能和特种应用背景，已经在军事、农业、工业等国民生活领域中发挥出重要作用。四旋翼飞行器本体一般由十字形支架终端的四个电机带动旋翼提供升力，通过四个电机转速实现空间[x,y,z]^T三位置和三位置夹角[φ,θ,ψ]^T的6自由度位姿控制。因此，其动力学模型是个典型的非线性、强耦合、欠驱动不确定性系统。要求在复杂多变的飞行环境中，在预定性能范围内，稳定快速精准地跟踪目标轨迹并有较强鲁棒性是控制过程中的难点。

目前已公开的专利技术大多涉及的是四旋翼飞行器的控制稳态性能或者是动态性能方面的控制方法，让四旋翼飞行器的轨迹跟踪兼顾暂态性和稳态性是一种新型的控制方法，因此本发明涉及到四旋翼飞行器高精度轨迹跟踪方法，即通过有限时间预设性能反演控制算法使得飞行器的轨迹在优越动态性能同时较高精度的进入预定的稳态紧集域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种四旋翼飞行器预设性能轨迹跟踪反演控制方法，该方法能够在预定的暂态和稳态性能前提下使四旋翼飞行器高精度地跟踪期望轨迹，并运用一种指数型非线性观测器处理飞行器飞行过程中的综合干扰，再将综合干扰结合到预设性能反演控制律中提高控制过程的鲁棒性能。

本发明所采用的技术方案是，四旋翼飞行器预设性能轨迹跟踪反演控制方法，该方法包括下列步骤：

(1)、求取四旋翼飞行器理想情况下的原始位姿动力学模型：选取地表某固定位置为大地坐标系原点建立大地坐标系Θ＝{O-XYZ}，以此建立空间飞行坐标系

Ω＝{O_a-X_aY_aZ_a}，飞行器质心相对于大地坐标系原点的位置向量为[x,y,z]，其姿态分别是滚转角、俯仰角以及偏航角，记为姿态向量[φ,θ,ψ]，求得四旋翼飞行器控制系统理想情况下的原始位姿动力学模型：其中，x为位置环中x轴对应的变量，y为位置环中y轴对应的变量，z为位置环中z轴对应的变量，θ为姿态环中俯仰角对应的变量，ψ为姿态环中偏航角对应的变量，σ为姿态环中滚转角对应的变量；u_i(i＝1,…,4)为实际输入控制器的控制律，其对应为前后左右四个旋翼电机的电压；K_i(i＝1,2,…,6)为空气阻力系数；m是飞行器质量；l为飞行器机臂长度；I_x,I_y,I_z表示飞行器相对于机体坐标轴的转动惯量；g为重力加速度，取g＝9.8m/s²；

(2)、定义虚拟控制变量项为：将步骤(1)中的原始位姿动力学模型进行解耦，解耦出的四旋翼飞行器控制系统的模型为包括位置环和姿态环的双闭环控制结构模型，其中位置环为外环，姿态环为内环；所述双闭环控制结构模型为：其中，d_i(i＝1,2,…,6)

为四旋翼飞行器所受的综合扰动，包括大气气流扰动、系统未建模动态扰动和不确定性干扰，干扰项d_i(i＝1,2,…,6)及其一阶导数连续有界,即u_1x,u_1y,u_1z为控制律u₁解耦后的控制变量；