基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法。针对四旋翼飞行器空间飞行控制过程中存在的未知质量、三轴转动惯量引起的参数不确定性和加性外部干扰，采用自适应与积分鲁棒复合的抗干扰控制方法实现对四旋翼轨迹/姿态的精准跟踪：首先，建立考虑参数不确定性和外部干扰的四旋翼运动/动力学矢量化模型；其次，将上述模型分解为可描述三通道位置、速度、姿态、角速率变化的标量模型；然后，根据上述标量模型，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹复合抗干扰跟踪控制器；最后，根据姿态回路的标量模型以及由位置回路控制器解算生成的期望姿态角指令，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼姿态复合抗干扰跟踪控制器。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法
本专利技术涉及导航制导方向的四旋翼轨迹/姿态跟踪领域，具体为一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，主要应用于解决考虑质量、三轴转动惯量等参数不确定性和外部干扰并存情况下的四旋翼轨迹/姿态精准跟踪控制问题。
技术介绍
近年来，四旋翼飞行器因操控性方便、扩展性强、运动敏捷性高、可垂直起降等优异性能受到国内外研究学者的广泛关注。相对于固定翼飞机，四旋翼飞行器具有体积小、质量轻、造价低等优点，被广泛应用于侦查、追踪、灾害救援、影像拍摄等场合。飞行控制系统作为四旋翼的“神经中枢”，是保证四旋翼稳定、精准飞行，完成飞行任务的前提。然而，四旋翼自身的运动/动力学模型具有欠驱动、强耦合、非线性的特性，并且四旋翼飞行过程中极易受到外界随机干扰的影响。此外，随着四旋翼飞行任务向多样化、复杂化和精细化方向发展，对闭环系统稳定性、暂态性能、稳态精度以及抗干扰能力提出了更为苛刻的要求。以比例-积分-微分(PID)、线性反馈化为代表的常规控制方法已经难以适用，亟需开展适应四旋翼典型模型特征以及具备强抗扰能力的飞行控制方法研究。参数不确定性和外部干扰是影响四旋翼飞行器轨迹/姿态控制品质的关键因素。具体而言，受限于缺少精密测量仪器，四旋翼的三轴转动惯量参数难以获取，四旋翼外设的变化往往导致飞行过程中飞行器质量发生变化，上述质量和转动惯量测量难题造成了四旋翼的参数不确定性问题，而外部干扰主要指大气风场引起的未知干扰力矩。若在控制器设计过程中对上述干扰的影响不加以考虑，将会导致四旋翼飞控性能急剧恶化、甚至失稳，难以保证飞行安全。现有用于四旋翼飞行器的抗干扰控制方法仅仅考虑了外部风扰和气动参数不确定性，对于严重影响飞行品质的转动惯量等参数不确定性缺乏重要关注。此外，已有研究大多将外部干扰和参数不确定性视为有界集总扰动，采用自适应估计或者干扰观测器对上述干扰作用进行观测并补偿，最后与滑模或动态面控制器综合，以应对未知干扰的不利影响。不难发现，已有研究中并未对施加的干扰进行分离与分类，仅采用单一的抗干扰机制(如干扰补偿或参数估计)处理未知外界扰动和不确定性，控制效果具有较大保守性，控制性能存在鲁棒性不足的缺陷。因此针对上述控制方法中的多种缺陷，需要提供一种综合考虑并克服多种缺陷的复合抗干扰控制方法。
技术实现思路
本专利技术针对四旋翼空间飞行过程中广泛存在的质量、转动惯量等参数不确定性和外部干扰，通过有效复合参数辨识和干扰抑制两种抗干扰措施，提出了一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰控制方法。本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，包括以下步骤：(1)建立考虑参数不确定性和外部干扰的四旋翼运动/动力学矢量化模型，四旋翼运动/动力学矢量化模型为：其中，X1＝[X11,X12,X13]T、X2＝[X21,X22,X23]T为四旋翼在惯性坐标系下的位置矢量和速度矢量；m为四旋翼的质量；Π1＝diag(kx,ky,kz)∈R3×3为空气动力阻尼矩阵，ki(i＝x,y,z)为气动阻尼系数；F＝g1u1-G，u1为四旋翼四个螺旋桨产生的升力之和，g1＝[c(ψ)s(θ)c(φ)+s(ψ)s(φ),s(ψ)s(θ)c(φ)-c(ψ)s(φ),c(θ)c(φ)]T表示和姿态角相关的位置回路输入矩阵，s(·)、c(·)此处表示sin(·)、cos(·)，G＝[0,0,mg]T；X3＝[X31,X32,X33]T、X4＝[X41,X42,X43]T为四旋翼在机体坐标系下的姿态角矢量和姿态角速率矢量；J＝[J1,J2,J3]T，Ji(i＝1,2,3)表示四旋翼在机体坐标系下关于x,y,z轴的转动惯量；Π2＝diag(kφ,kθ,kψ)∈R3×3为空气动力阻尼矩阵，kj(j＝φ,θ,ψ)为气动阻尼系数；g2＝diag(l,l,c)∈R3×3，其中，l为四旋翼机体中心到螺旋桨轴心的距离，c为力矩因子；τ＝[τ1,τ2,τ3]T表示四旋翼在机体坐标系下沿x,y,z轴的输入力矩；d2(t)＝[d21(t),d22(t),d23(t)]T，d4(t)＝[d41(t),d42(t),d43(t)]T分别为四旋翼位置和姿态回路的外部干扰。(2)上述矢量化模型分解为可描述三通道位置、速度、姿态、角速率变化的标量模型，将步骤(1)中四旋翼运动/动力学矢量化模型分解为步骤(2)中可描述三通道位置、速度、姿态、角速率变化的标量模型：其中，X1i(i＝1,2,3)、X2i(i＝1,2,3)分别为X1、X2中的第i个元素；ki为Π1中对应的对角线元素，fi(i＝1,2,3)为F＝[f1,f2,f3]T中的第i个元素；X3i(i＝1,2,3)、X4i(i＝1,2,3)分别为X3、X4中的第i个元素；Ji(i＝1,2,3)为J中第i个对角线元素，kj为Π2中对应的对角线元素；τi(i＝1,2,3)为τ中的第i个元素，g2i(i＝1,2,3)为g2中的第i个对角线元素；d2i(t)(i＝1,2,3)、d4i(t)(i＝1,2,3)分别为d2(t)、d4(t)中的第i个元素。(3)根据位置回路的标量模型，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹复合抗干扰跟踪控制器，为后续姿态控制器设计提供必要的参考指令，其中，采用自适应律对未知质量进行参数估计，通过具有非线性反馈功能的积分鲁棒控制器对外部干扰进行充分抑制，实现对于给定轨迹信号的精确跟踪；依据步骤(2)中的四旋翼标量模型构造步骤(3)中所述的基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹复合抗干扰跟踪控制器：设计四旋翼轨迹跟踪控制器，首先定义如下的位置回路误差变量：其中，e1＝[e11,e12,e13]T为四旋翼位置跟踪误差，X1d＝[X11d,X12d,X13d]T为四旋翼在惯性坐标系下的位置参考指令，e2＝[e21,e22,e23]T为四旋翼速度跟踪误差，k1、k2为正的反馈增益；r1＝[r11,r12,r13]T表示为提高控制器的设计自由度所定义的误差；由上述误差变量，可得如下的基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹复合抗干扰跟踪控制器：其中，为四旋翼质量的估计值，X1id(i＝1,2,3)为X1d中的第i个元素；kr1、k2、β1为正的反馈增益，sign(e2i)在此处表示符号函数；e2i(i＝1,2,3)为e2中的第i个元素；Γ11为自适应律参数，r11为r1中的第1个元素，为估计四旋翼质量的参数自适应律：上述控制器中，fi分为fia和fis两部分：fia为基于参数自适应的模型前馈补偿项：一方面，通过自适应律对不确定质量进行在线辨识，以消除质量不确定性对闭环系统的影响；另一方面，利用位置回路模型辅助信息并以前馈方式嵌入控制项中，可解决位置回路中的非线性模型补偿问题；fis为积分鲁棒项，通过积分鲁棒线性反馈和非线性反馈，抑制未知的外界扰动，提高系统的鲁棒性；最后将自适应律和积分鲁棒两种控制方法复合，实现四旋翼轨迹精准跟踪控制；由上述控制器F＝[f1,f2,f3]T可推得期望姿态角指令，F与期望姿态角指令的关系如下：由公式(6)逆变换出如下公式：上式中，X3d＝[φd,θd,ψd]T为四旋翼期望的姿态角指令。(4)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立考虑参数不确定性和外部干扰的四旋翼运动/动力学矢量化模型；(2)上述矢量化模型分解为可描述三通道位置、速度、姿态、角速率变化的标量模型；(3)根据位置回路的标量模型，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹复合抗干扰跟踪控制器，为后续姿态控制器设计提供必要的参考指令，其中，采用自适应律对未知质量进行参数估计，通过具有非线性反馈功能的积分鲁棒控制器对外部干扰进行充分抑制，实现对于给定轨迹信号的精确跟踪；(4)根据姿态回路的标量模型，结合步骤(3)生成的期望姿态角指令，综合自适应律对三通道转动惯量的精确辨识能力与积分鲁棒对外部干扰的强鲁棒抗干扰能力，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼姿态复合抗干扰跟踪控制器，实现对于给定姿态指令的稳定跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立考虑参数不确定性和外部干扰的四旋翼运动/动力学矢量化模型；(2)上述矢量化模型分解为可描述三通道位置、速度、姿态、角速率变化的标量模型；(3)根据位置回路的标量模型，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹复合抗干扰跟踪控制器，为后续姿态控制器设计提供必要的参考指令，其中，采用自适应律对未知质量进行参数估计，通过具有非线性反馈功能的积分鲁棒控制器对外部干扰进行充分抑制，实现对于给定轨迹信号的精确跟踪；(4)根据姿态回路的标量模型，结合步骤(3)生成的期望姿态角指令，综合自适应律对三通道转动惯量的精确辨识能力与积分鲁棒对外部干扰的强鲁棒抗干扰能力，构造基于自适应积分鲁棒的四旋翼姿态复合抗干扰跟踪控制器，实现对于给定姿态指令的稳定跟踪。2.根据权利要求1所述的基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，其特征在于：步骤(1)中的四旋翼运动/动力学矢量化模型为：其中，X1＝[X11,X12,X13]T、X2＝[X21,X22,X23]T为四旋翼在惯性坐标系下的位置矢量和速度矢量；m为四旋翼的质量；Π1＝diag(kx,ky,kz)∈R3×3为空气动力阻尼矩阵，ki(i＝x,y,z)为气动阻尼系数；F＝g1u1-G，u1为四旋翼四个螺旋桨产生的升力之和，g1＝[c(ψ)s(θ)c(φ)+s(ψ)s(φ),s(ψ)s(θ)c(φ)-c(ψ)s(φ),c(θ)c(φ)]T表示和姿态角相关的位置回路输入矩阵，s(·)、c(·)此处表示sin(·)、cos(·)，G＝[0,0,mg]T；X3＝[X31,X32,X33]T、X4＝[X41,X42,X43]T为四旋翼在机体坐标系下的姿态角矢量和姿态角速率矢量；J＝[J1,J2,J3]T，Ji(i＝1,2,3)表示四旋翼在机体坐标系下关于x,y,z轴的转动惯量；Π2＝diag(kφ,kθ,kψ)∈R3×3为空气动力阻尼矩阵，kj(j＝φ,θ,ψ)为气动阻尼系数；g2＝diag(l,l,c)∈R3×3，其中，l为四旋翼机体中心到螺旋桨轴心的距离，c为力矩因子；τ＝[τ1,τ2,τ3]T表示四旋翼在机体坐标系下沿x,y,z轴的输入力矩；d2(t)＝[d21(t),d22(t),d23(t)]T，d4(t)＝[d41(t),d42(t),d43(t)]T分别为四旋翼位置和姿态回路的外部干扰。3.根据权利要求1所述的基于自适应积分鲁棒的四旋翼轨迹/姿态复合抗干扰跟踪控制方法，其特征在于：将步骤(1)中四旋翼运动/动力学矢量化模型分解为步骤(2)中可描述三通道位置、速度、姿态、角速率变化的标量模型：其中，X1i(i＝1,2,3)、X2i(i＝1,2,3)分别为X1、X2中的第i个元素；ki为Π1中对应的对角线元素，fi(i＝1,2,3)为F＝[f1,f2,f3]T中的第i个元素；X3i(i＝1,2,3)、X4i(i＝1,2,3)分别为X3、X4中的第i个元素；Ji(i＝1,2,3)为J中第i个对角线元素，kj为Π2中对应的对角线元素；τi(...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵星灵，杨卫，孟庆霄，王琳玮，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14