一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器及其跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器及其跟踪控制方法，属于飞行机器人控制技术领域。所述控制器包括位置控制子系统和姿态控制子系统。位置控制子系统包含外环和内环伪动态逆和PI控制器、位置配置环节；姿态控制子系统也包含外环和内环伪动态逆和PI控制器、姿态配置环节。本发明专利技术避免了基于欧拉角控制器存在的奇异点和线性控制器制约机器人性能发挥的不足；简化了控制器的设计，提高了控制器系统跟踪精度。所设计的控制器不仅具有全姿态轨迹跟踪能力，而且抗干扰能力强，跟踪精度高，显著提高了四旋翼飞行机器人机动性和环境交互能力，为四旋翼飞行机器人的进一步推广应用奠定了技术基础。

【技术实现步骤摘要】
一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器及其跟踪控制方法
本专利技术属于飞行机器人控制
，涉及轨迹自动跟踪技术，具体地说，是指一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制系统的设计方法。
技术介绍
随着飞行机器人技术的快速发展，飞行机器人的应用越来越广泛。特别是四旋翼飞行机器人因为具有垂直起降功能，对场地无特别要求，特别适合侦察、营救、航拍等领域，目前已逐渐在民用和军事等领域得到了应用。为了提高四旋翼飞行机器人作业能力和应用范围，人们不再满足于四旋翼飞行机器人能平稳飞行等基本要求，而对其机动能力和环境交互能力的要求越来越高，这就需要四旋翼飞行机器人控制器具有很高的轨迹跟踪能力。四旋翼飞行机器人是一个典型的欠驱动、强耦合的非线性系统，这给其飞行轨迹跟踪控制器的设计带来了挑战。目前普遍使用的四旋翼飞行机器人飞行轨迹跟踪控制器存在着如下的不足：通常是基于欧拉角进行姿态表达的，采用欧拉角进行姿态表达的控制器，虽然有着姿态表达直观等特点，但在俯仰角为90度时，存在奇异点，此时飞行机器人失控，限制了飞行机器人的机动性和环境交互能力。另外一个问题是常用的控制器，通常采用的控制方法是通过对系统进行线性化后再采用线性控制方法进行设计，该方法的优点是简化了控制器的设计过程，但由于四旋翼飞行机器人本身是一个非线性系统，采用线性控制方法进行控制，严重制约了其性能的发挥，特别是机动性和环境交互能力。
技术实现思路
为了解决基于四旋翼飞行机器人轨迹跟踪控制器存在的上述问题，本专利技术提出了一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制系统设计方法，包括跟踪控制器及其跟踪控制方法。本专利技术采用基于四元素的姿态表达，通过建立四旋翼飞行机器人六自由度运动学和动力学模型，使用非线性控制方法-轨迹线性化控制方法具体设计了四旋翼飞行机器人六自由度非线性轨迹跟踪控制器，达到了避免基于欧拉角控制器存在的奇异点和线性控制器制约机器人性能发挥的不足。采用经过误差修正控制量的命令值代替标称值对各个控制环进行设计，不仅简化了控制器的设计，而且提高了控制器系统跟踪精度。所设计的控制器不仅具有全姿态轨迹跟踪能力，而且抗干扰能力强，跟踪精度高，显著提高了四旋翼飞行机器人机动性和环境交互能力，为四旋翼飞行机器人的进一步推广应用奠定了技术基础。本专利技术首先提供一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器，整个跟踪控制器由两部分组成：位置控制子系统和姿态控制子系统。位置控制子系统中又包含内外两个控制环和一个位置配置环节，每个控制环都包含一个完整的轨迹线性化控制法控制结构：一个伪动态逆和一个起镇定调节作用的PI控制器。位置配置环节的主要作用是根据力指令Fcom计算得到姿态指令值βcom和四个旋翼应该产生的总拉力Tcom。姿态控制子系统中包含内外两个控制环和姿态配置环节，每个控制环也都包含一个完整的轨迹线性化控制法控制结构，姿态配置环节的主要作用是根据力矩指令Mcom和位置控制子系统输出的总拉力Tcom来映射得到四个旋翼的转速，从而实现对四旋翼飞行机器人的控制。本专利技术的跟踪控制器接收位置指令Pcom，位置控制子系统第一外环伪动态逆根据该值计算出标称速度vnom,第一外环PI控制器根据位置误差Perr计算出位置误差修正控制量vctrl，标称速度vnom和位置误差修正控制量vctrl之和构成速度指令vcom；速度指令vcom作为位置控制子系统内环的输入。位置控制子系统第一内环伪动态逆根据速度指令vcom计算出标称力Fnom,第一内环PI控制器根据速度误差verr计算出速度误差修正控制量Fctrl，标称力Fnom和速度误差修正控制量Fctrl之和构成力指令Fcom；力指令Fcom作为位置控制子系统中位置配置环节的输入，位置配置环节根据力指令Fcom值计算出姿态指令βcom和总拉力指令Tcom，并作为姿态控制子系统的输入；所述的总拉力指令Tcom直接输出给姿态控制子系统中的姿态配置环节。姿态指令βcom作为姿态控制子系统中第二外环伪动态逆的输入量，第二外环伪动态逆根据该姿态指令计算出标称角速度ωnom；第二外环PI控制器根据姿态误差βerr计算出姿态误差修正控制量ωctrl，标称角速度ωnom和姿态误差修正控制量ωctrl之和构成角速度指令ωcom；角速度指令ωcom作为姿态控制子系统内环的输入，姿态控制子系统中第二内环伪动态逆根据角速度指令ωcom值计算出标称力矩Mnom,第二内环PI控制器根据角速度误差ωerr计算出角速度误差修正控制量Mctrl，标称力矩Mnom和角速度误差修正控制量Mctrl之和构成力矩指令Mcom；力矩指令Mcom输出给姿态配置环节，姿态配置环节根据输入的力矩指令Mcom和总拉力指令Tcom计算出四旋翼飞行机器人四个旋翼的转速，从而实现对四旋翼飞行机器人的控制。其中，四旋翼飞行机器人的位置、速度、姿态、角速度的测量值*sen(*为P、v、β、ω)由组合导航系统测量给出。本专利技术一种四旋翼飞行机器人轨迹跟踪控制系统设计方法的优点在于：1、采用四元素来表达四旋翼飞行机器人姿态进行控制器设计，有效避免基于欧拉角传统控制器存在奇异点的不足。2、采用轨迹线性化非线性控制方法设计轨迹跟踪控制器，在设计中不需要对方程进行小扰动线性化处理，因而避免了一般飞行控制系统设计中由于线性化所带来的误差，并具有自动解耦能力，有效提高了控制器的控制精度，避免了线性化的不足，从而为飞行机器人的高机动飞行和环境交互能力的提高奠定了基础。3、在控制器结构上，通过采用经过误差控制量修正的命令值代替标称值作为下一个控制环的输入，不仅简化了设计步骤，还提高了控制器轨迹跟踪性能。附图说明图1为本专利技术所应用的四旋翼飞行机器人坐标系与配置图；图2为本专利技术四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器总体结构图；图3为本专利技术四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器位置跟踪效果图；图4为本专利技术四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器速度跟踪效果图；图5为本专利技术四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器姿态跟踪效果图；图6为本专利技术四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器角速度跟踪效果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细说明。本专利技术提供一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器及其控制方法，采用命令值代替标称值进行控制环路设计，如图2所示，本专利技术提供的跟踪控制器由两部分组成：位置控制子系统和姿态控制子系统。所述的位置控制子系统中包含第一外环伪动态逆、第一外环PI控制器、第一内环伪动态逆、第一内环PI控制器和位置配置环节，位置配置环节根据力指令Fcom计算得到姿态指令值βcom和四个旋翼应该产生的总拉力Tcom，输出给姿态控制子系统。所述的姿态控制子系统中包含第二外环伪动态逆、第二外环PI控制器、第二内环伪动态逆、第二内环PI控制器和姿态配置环节。姿态配置环节根据力矩指令Mcom和位置控制子系统输出的总拉力Tcom来映射得到四个旋翼的转速，从而实现对四旋翼飞行机器人的控制。本专利技术的跟踪控制器接收位置指令Pcom，位置控制子系统第一外环伪动态逆根据该值计算出标称速度vnom,第一外环PI控制器根据位置误差Perr计算出位置误差修正控制量vctrl，标称速度vnom和位置误差修正控制量vctrl之和构成速度指令vcom；速度指令vcom作为位置控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器，其特征在于：包括位置控制子系统和姿态控制子系统；所述的位置控制子系统中包含第一外环伪动态逆、第一外环PI控制器、第一内环伪动态逆、第一内环PI控制器和位置配置环节，位置配置环节根据力指令Fcom计算得到姿态指令值βcom和四个旋翼应该产生的总拉力Tcom，输出给姿态控制子系统；所述的姿态控制子系统中包含第二外环伪动态逆、第二外环PI控制器、第二内环伪动态逆、第二内环PI控制器和姿态配置环节；姿态配置环节根据力矩指令Mcom和位置控制子系统输出的总拉力Tcom来映射得到四个旋翼的转速，从而实现对四旋翼飞行机器人的控制。

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器，其特征在于：包括位置控制子系统和姿态控制子系统；所述的位置控制子系统中包含第一外环伪动态逆、第一外环PI控制器、第一内环伪动态逆、第一内环PI控制器和位置配置环节，位置配置环节根据力指令Fcom计算得到姿态指令值βcom和四个旋翼应该产生的总拉力Tcom，输出给姿态控制子系统；所述的姿态控制子系统中包含第二外环伪动态逆、第二外环PI控制器、第二内环伪动态逆、第二内环PI控制器和姿态配置环节；姿态配置环节根据力矩指令Mcom和位置控制子系统输出的总拉力Tcom来映射得到四个旋翼的转速，从而实现对四旋翼飞行机器人的控制。2.根据权利要求1所述的一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制器，其特征在于：跟踪控制器接收位置指令Pcom，位置控制子系统第一外环伪动态逆根据该值计算出标称速度vnom,第一外环PI控制器根据位置误差Perr计算出位置误差修正控制量vctrl，标称速度vnom和位置误差修正控制量vctrl之和构成速度指令vcom；速度指令vcom作为位置控制子系统内环的输入；位置控制子系统第一内环伪动态逆根据速度指令vcom计算出标称力Fnom,第一内环PI控制器根据速度误差verr计算出速度误差修正控制量Fctrl，标称力Fnom和速度误差修正控制量Fctrl之和构成力指令Fcom；力指令Fcom作为位置控制子系统中位置配置环节的输入，位置配置环节根据力指令Fcom值计算出姿态指令βcom和总拉力指令Tcom，并作为姿态控制子系统的输入；所述的总拉力指令Tcom直接输出给姿态控制子系统中的姿态配置环节；姿态指令βcom作为姿态控制子系统中第二外环伪动态逆的输入量，第二外环伪动态逆根据该姿态指令计算出标称角速度ωnom；第二外环PI控制器根据姿态误差βerr计算出姿态误差修正控制量ωctrl，标称角速度ωnom和姿态误差修正控制量ωctrl之和构成角速度指令ωcom；角速度指令ωcom作为姿态控制子系统内环的输入，姿态控制子系统中第二内环伪动态逆根据角速度指令ωcom值计算出标称力矩Mnom,第二内环PI控制器根据角速度误差ωerr计算出角速度误差修正控制量Mctrl，标称力矩Mnom和角速度误差修正控制量Mctrl之和构成力矩指令Mcom；力矩指令Mcom输出给姿态配置环节，姿态配置环节根据输入的力矩指令Mcom和总拉力指令Tcom计算出四旋翼飞行机器人四个旋翼的转速；其中，四旋翼飞行机器人的位置、速度、姿态、角速度的测量值*sen由组合导航系统测量给出，*为P、v、β、ω。3.一种四旋翼飞行机器人非线性轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：第一步，基于四元素四旋翼飞行机器人建模，包括运动学建模与动力学建模；把四旋翼飞行机器人看成一个6自由度的刚体，其运动分解为平移运动和旋转运动，建立的坐标系，ΣE表示地面坐标系ODXNYEZD，Σb为机体坐标系xyz，T1、T2、T3、T4分别表示四个旋翼所产生的拉力，总拉力为T，用Ω1、Ω2、Ω3、Ω4分别表示四旋翼飞行机器人的四个旋翼的转速，用P表示地面坐标系下飞行机器人重心的位置矢量，v＝(vx,vy,vz)表示地面坐标系下飞行机器人重心的速度矢量，F表示地面坐标系下飞行机器人所受合外力总力，M表示机体坐标系下飞行机器人的总力矩，ω表示机体坐标系下的角速度矢量，表示机体坐标系相对于地面坐标系的姿态旋转矩阵，是一个3×3的矩阵，用四元素来表示姿态旋转矩阵则为：其中a,b,c,d为四元素β的四个分量，四旋翼飞行机器人在地面坐标系下平移运动的运动学方程为：动力学方程为：式中的m为四旋翼飞行机器人的质量，基于四元素的四旋翼飞行机器人旋转运动的运动学方程为：其中p、q、r为角速度ω的三个分量，分别表示机体坐标系下四旋翼飞行机器人横滚、俯仰和航向角速度，四旋翼飞行机器人的旋转动力学方程为：上式中，J为四旋翼飞行机器人在机体坐标系下描述的惯性张量,定义如下：其中，Jxx、Jyy、Jzz、Jzx、Jyz、Jxy为飞行机器人在机体坐标系下描述的转动惯量和惯性积；由于四旋翼飞行机器人的对称性，有Jxy＝Jyz＝0，通过整理，式(5)改写为如下所示的以ω为状态变量的状态方程：其中，和与飞行机器人在机体坐标系下的惯性参数有关，和用Jxx，Jyy，Jzz，Jxz来表示，具体表达如下：四旋翼飞行...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，査长流，俞玉树，王学强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11