[发明专利]一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法

摘要

一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法，针对要求采用电机电压控制实现对参考指令快速跟踪以及兼具强鲁棒性的四旋翼系统，利用快速终端滑模函数，设计一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法。快速终端滑模面的设计是为了实现系统的有限时间收敛，在远离或接近平衡点时都可以保持较快的收敛速度。同时，考虑电机电压作为控制量有重要的实际意义。本发明提供一种在电机电压控制下，具有强鲁棒性，能够快速收敛的控制方法，实现系统的稳定控制。

主权项

1.一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：步骤1，建立基于电机电压的四旋翼飞行器姿态模型，初始化四旋翼姿态信息、采样时间以及控制参数的过程如下：1.1在不考虑外部干扰的情况下，电机电压作为控制输入，给出基于电机电压的四旋翼飞行器系统姿态模型：其中，分别表示偏航角加速度、俯仰角加速度、翻滚角加速度；J_y、J_p、J_r分别代表偏航轴转动惯量、俯仰轴转动惯量以及翻滚轴转动惯量，K_t是推力转矩常数，K_f是推力常数，L是螺旋桨电机和枢轴的距离，u₁、u₂和u₃分别表示四旋翼飞行器偏航角、俯仰角以及翻滚角的控制量；步骤2，计算四旋翼控制系统姿态跟踪误差，设计快速终端滑模面函数，过程如下：2.1定义系统姿态跟踪误差列向量e为e＝xd‑x   (2)其中，e＝[ey ep er]T，ey表示偏航角跟踪误差，ep表示俯仰角跟踪误差，er表示翻滚角跟踪误差；xd＝[ψd θd φd]T，ψd表示偏航角期望值，θd表示俯仰角期望值，φd表示翻滚角期望值；x＝[ψ θ φ]T，ψ表示偏航角实际值，θ表示俯仰角实际值，φ表示翻滚角实际值；式(2)的一阶导数和二阶导数分别为2.2设计快速终端滑模函数其中，σ_y、σ_p、σ_r、τ_y、τ_p和τ_r为正常数，a＞b＞1；s_y表示用于偏航角姿态控制的滑模函数，表示偏航角跟踪误差的一阶微分；s_p表示用于俯仰角姿态控制的滑模函数，表示俯仰角跟踪误差的一阶微分；s_r表示用于翻滚角姿态控制的滑模函数，表示翻滚角跟踪误差的一阶微分；sig^a(e_y)、sig^a(e_p)、sig^a(e_r)满足下列表达式|e_y|、|e_p|、|e_r|分别表示偏航角跟踪误差绝对值、俯仰角跟踪误差绝对值以及翻滚角跟踪误差绝对值；sgn(e_y)、sgn(e_p)、sgn(e_r)表达形式为步骤3，基于电机电压的四旋翼飞行器姿态模型，根据快速终端滑模函数，设计快速终端滑模控制器，过程如下：3.1设计指数趋近律其中ky1＞0，ky2＞0，kp1＞0，kp2＞0，kr1＞0，kr2＞0以保证sy、sp、sr都以指数形式快速收敛到滑模面；3.2对式(5)进行求导得3.3联立式(11)和式(10)得到3.4将式(4)展开得其中，分别表示偏航角、俯仰角以及翻滚角期望值的二阶微分；分别表示偏航角、俯仰角以及翻滚角实际值的二阶微分；3.5将式(13)代入式(12)，得到3.6由式(1)和式(14)得到控制器为3.7根据控制器得到四旋翼飞行器电机电压表达式如下其中，Vf、Vb、Vr、Vl分别表示四旋翼飞行器前、后、右、左电机电压幅值；同时默认偏航角度增量为正时，顺时针旋转的左、右螺旋桨的电机电压之和大于逆时针旋转的前、后螺旋桨的电机电压之和；俯仰角度增量为正时，前电机电压大于后电机电压；翻滚角度增量为正时，右电机电压大于左电机电压；3.8设计李雅普诺夫函数对式(19)进行求导得将式(10)代入式(20)中得到由于V≥0，且则判定系统是稳定的。