动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器及方法技术

本发明专利技术公开了一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器及方法，假设四旋翼无人机模型参数例如转动惯量、空气阻尼系数等都是未知的，并且系统所受的有界扰动是时变的、一直存在于系统中的。针对未知的模型参数，本发明专利技术设计了相应的微分估计器对位置参数进行在线估计。基于参数估计值，设计了改进自适应非奇异终端滑模控制器完成对四旋翼无人机的姿态稳定控制。此外，本发明专利技术还设计了自适应扰动补偿器对有界扰动进行了有效补偿。仿真以及实验结果表明，该控制算法能够较好地完成四旋翼无人机姿态稳定控制，并且对系统的未知动态特性和扰动具有较强的鲁棒性。

Attitude controller and method of four rotor unmanned aerial vehicle with unknown dynamic characteristics

The invention discloses a dynamic characteristics of unknown four rotor UAV attitude controller and method, assuming four rotor UAV model parameters such as inertia, air damping coefficient is unknown, and the system has been bounded disturbance is time-varying, in a system. In view of the unknown model parameters, the corresponding differential estimator is designed for the on-line estimation of the position parameters. Based on the parameter estimation, an improved adaptive nonsingular terminal sliding mode controller is designed to control the attitude stability of the four rotor unmanned aerial vehicle. In addition, the invention also designs an adaptive disturbance compensator for the effective compensation of bounded disturbance. The simulation and experimental results show that the control algorithm can achieve the four rotor UAV attitude stabilization control well, and is robust to the unknown dynamic characteristics and disturbances of the system.

【技术实现步骤摘要】
动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器及方法
本专利技术涉及四旋翼无人机姿态控制
，尤其涉及一种基于改进自适应非奇异终端滑模的动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器及设计方法。
技术介绍
作为旋翼式无人飞行器正宗最为典型的一种，四旋翼无人机在军事、救援、农业以及地理科学等诸多领域得到了广泛的应用，其广阔的军事民用前景使得四旋翼无人机守到了越来越多科研机构、高校以及企业的关注。随着微处理器技术、微机电系统、新材料以及动力电池等技术的进步，四旋翼飞行器正向着更加智能的方向发展，其应用已渗透进生产生活的方方面面，其所面对的飞行任务也愈加复杂。本专利技术所研究的四旋翼无人机姿态稳定控制对于四旋翼无人机在复杂环境下飞行任务的完成具有重要的意义。与传统的旋翼无人机相比，四旋翼无人机的电子和机械结构更加紧凑，机动性更强，能够在狭小的范围内实现起飞、悬停、飞行和着陆等。然而，四旋翼无人机自身具有静不稳定性、欠驱动、强耦合以及非线性等复杂动力学特征。因此，四旋翼无人机的控制问题较为复杂，具有一定难度。目前，四旋翼无人机的姿态稳定控制主要有面临两个问题：一、由于四旋翼无人机质量、转动惯量等较小，其飞行过程中极易受到气动扰动、地面效应、参数摄动等扰动的影响。二、一些模型参数无法精确测量，并且飞行过程中模型参数可能会发生变化，此外，无人机的一些未知动态无法精确建模。过去几十年，许多控制方法被应用于四旋翼无人机的姿态控制。其中，滑模控制方法是变结构控制中最常用的一种控制方法，适用于某些存在有界扰动或者未建模动态的非线性系统。当系统中存在有界的未建模动态时，滑模控制方法能够通过使用较大的控制量来处理未建模动态，保证系统的稳定性，因此，被广泛应用于四旋翼无人机、移动机器人等系统的控制中。然而，传统的线性滑模方法无法保证系统在有限时间内收敛。为了解决有限时间内收敛的问题，终端滑模控制应运而生并且在刚体机器人的控制领域得到了广泛应用。终端滑模虽然具有快速的、有限时间收敛的优良特性，但是算法本身存在着奇异性的问题。冯勇提出了非奇异终端滑模算法，有效地解决了终端滑模控制存在的奇异性问题。Modirrousta等人将非奇异终端滑模应用于四旋翼无人机的控制。但是上述的控制算法都基于精确的系统模型，而小型四旋翼无人机模型参数的精确测量对实验装置的要求较高，实现起来比较困难。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提出了一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器及方法，该控制器及方法对未知的转动惯量、空气阻尼系数等进行在线估计，提出了改进自适应非奇异终端滑模控制器，保证了四旋翼无人机姿态控制系统在有限时间内收敛，同时大大减小了控制算法对精确模型的依赖性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术公开了一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器，包括：设计相应的自适应律分别对未知的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界进行估计，根据得到的估计值设计四旋翼无人机姿态控制器如下：设三维向量α＝[α1α2α3]T以及三维对角线矩阵β＝diag(β1β2β3)，定义函数λ(α)＝diag(α1α2α3)，ν(β)＝[β1β2β3]T。惯量矩阵I＝diag(IxIyIz)，Ix，Iy，Iz分别无人机三轴转动惯量；Θ＝[φθψ]T为无人机姿态向量，其中，φ，θ，ψ分别表示无人机的横滚角，俯仰角以及航向角；和分别表示无人机角速度，角加速度向量；为期望角加速度；三维对角线矩阵Ksg＝diag[KsgφKsgθKsgψ],Ks＝diag[Ks1Ks2Ks3]为控制器参数矩阵；L＝diag(llc)，l是电机轴到无人机中心的距离，c表示升力-转矩系数；分别表示对未知参数K＝diag(KφKθKψ)，I＝diag(IxIyIz)及未知扰动上界D＝[DφDθDψ]T的估计值；分别为各估计值的自适应更新率；三维列向量s为滑模面。Γ1Γ2和Γ3定义如下：其中，e1、e2分别为姿态角度和角速度跟踪误差；kη＝diag(kφkθkψ)，α，β分别是正的控制器常数，r为正偶数，p，q为正奇数，并且p，q满足如下限制条件：进一步地，改进的非奇异终端滑模面s具体为：本专利技术还公开了一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器的设计方法，包括：(1)确定四旋翼飞行器的姿态模型；(2)假设四旋翼姿态模型中的转动惯量Ix，Iy，Iz以及转动阻尼系数Kφ，Kθ，Kψ均是未知常数；同时，有界扰动dφ，dθ，dψ是时变的并且一直存在，扰动的上界分别为Dφ，Dθ和Dψ，扰动上界慢时变；(3)定义姿态角度和角速度跟踪误差，根据上述误差，确定改进的非奇异终端滑模面；(4)分别设计相应的自适应律来估计未知的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界；(5)根据所得的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界的估计值，确定基于改进自适应非奇异终端滑模的无人机姿态控制器。进一步地，在确定四旋翼飞行器的姿态模型时，进行如下假设：1)飞行器是刚体且对称；2)地面坐标系为惯性坐标系，重力加速度不随飞行高度的变化而变化；3)不计地球自转和公转的影响；4)4个螺旋桨轴与Z轴平行排列；5)机体坐标系原点与质心一致。进一步地，所述四旋翼飞行器的姿态模型具体为：其中，I＝diag(IxIyIz)Ix，Iy和Iz为转动惯量；K＝diag(KφKθKψ)Kφ，Kθ，Kψ为转动阻尼系数；扰动向量d＝[dφdθdψ]Tdφ，dθ，dψ为有界扰动；L＝diag(llc)，l是电机轴到无人机中心的距离；c表示升力-转矩系数；τ＝[τ1τ2τ3]T为姿态控制子系统的控制输入；和分别表示无人机角速度，角加速度向量；φ，θ，ψ分别表示无人机的横滚角，俯仰角以及航向角。进一步地，所述四旋翼飞行器的姿态角限制为：其中，φ，θ，ψ分别表示无人机的横滚角，俯仰角以及航向角。进一步地，所述步骤(3)中，姿态角度和角速度跟踪误差具体为：e1＝Θ-Θd；其中，Θ＝[φθψ]T为无人机姿态角度向量，其中，φ，θ，ψ分别表示无人机的横滚角，俯仰角以及航向角；为无人机的角速度向量；Θd、分别为期望角度和期望角速度向量。进一步地，所述步骤(3)中，改进的非奇异终端滑模面具体为：其中，e1、e2分别为角度和角速度跟踪误差；kη＝diag(kφkθkψ)，α，β分别是正的控制器常数，r为正偶数，p，q为正奇数，并且p，q满足如下限制条件：进一步地，所述步骤(4)中，设计如下自适应律来估计未知的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界：进一步地，所述步骤(5)中，改进自适应非奇异终端滑模控制器具体为：本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了改进非奇异终端滑模控制器，与传统非奇异终端滑模相比，该控制器具有更快的收敛速度以及更强的鲁棒性。本专利技术控制器设计过程中不需要精确的四旋翼无人机模型参数，能够较好地完成四旋翼无人机姿态稳定控制，并且对系统的未知动态特性和扰动具有较强的鲁棒性。本专利技术控制器结构简单，易于工程实现。附图说明图1为四旋翼无人机结构示意图；图2(a)为分别利用本专利技术控制器以及基于扰动观测器的非奇异终端滑模控制器得到的横滚角控制对比图；图2(b)为分别利用本专利技术控制器以及基于扰动观测器的非奇异终端滑模控制器得到的航向角控制对比图；图2(c)为分别利用本专利技术控制器以及基于扰动观测器的非奇异本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器，其特征在于，包括：设计相应的自适应律分别对未知的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界进行估计，根据得到的估计值设计四旋翼无人机姿态控制器如下：

【技术特征摘要】
1.一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器，其特征在于，包括：设计相应的自适应律分别对未知的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界进行估计，根据得到的估计值设计四旋翼无人机姿态控制器如下：其中，设三维向量α＝[α1α2α3]T以及三维对角线矩阵β＝diag(β1β2β3)，定义函数λ(α)＝diag(α1α2α3)，ν(β)＝[β1β2β3]T；L＝diag(llc)，l是电机轴到无人机中心的距离，c表示升力-转矩系数；表示无人机角速度，为期望角加速度；φ，θ，ψ分别表示无人机的横滚角，俯仰角以及航向角；分别表示对未知转动阻尼系数K＝diag(KφKθKψ)，未知转动惯量I＝diag(IxIyIz)及未知扰动上界D＝[DφDθDψ]T的估计值；三维对角线矩阵Ksg＝diag[KsgφKsgθKsgψ]，Ks＝diag[Ks1Ks2Ks3]为控制器参数矩阵；三维列向量s为滑模面；Γ1、Γ2定义如下：其中，e1、e2分别为姿态角度和角速度跟踪误差；kη＝diag(kφkθkψ)，α，β分别是正的控制器常数，r为正偶数，p，q为正奇数，并且p，q满足如下限制条件：2.如权利要求1所述的一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器，其特征在于，改进的非奇异终端滑模面s具体为：3.一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器的设计方法，其特征在于，包括：(1)确定四旋翼飞行器的姿态模型；(2)假设四旋翼姿态模型中的转动惯量Ix，Iy，Iz以及转动阻尼系数Kφ，Kθ，Kψ均是未知常数；同时，有界扰动dφ，dθ，dψ是时变的并且一直存在，扰动的上界分别为Dφ，Dθ和Dψ，扰动上界慢时变；(3)定义姿态角度和角速度跟踪误差，根据上述误差，确定改进的非奇异终端滑模面；(4)分别设计相应的自适应律来估计未知的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界；(5)根据所得的转动惯量、转动阻尼系数以及扰动上界的估计值，确定基于改进自适应非奇异终端滑模的无人机姿态控制器。4.如权利要求3所述的一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器的设计方法，其特征在于，在确定四旋翼飞行器的姿态模型时，进行如下假设：1)飞行器是刚体且对称；2)地面坐标系为惯性坐标系，重力加速度不随飞行高度的变化而变化；3)不计地球自转和公转的影响；4)4个螺旋桨轴与Z轴平行排列；5)机体坐标系原点与质心一致。5.如权利要求3所述的一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器的设计方法，其特征在于，所述四旋翼飞行器的姿态模型具体为：其中，I＝diag(IxIyIz)Ix，Iy和Iz为转动惯量；K＝diag(KφKθKψ)Kφ，Kθ，Kψ为转动阻尼系数；扰动向量d＝[dφdθdψ]Tdφ，dθ，dψ为有界扰动；L＝diag(llc)，l是电机轴到无人机中心的距离；c表示升力-转矩系数；τ＝[τ1τ2τ3]T为姿态控制子系统的控制输入；和分别表示无人机角速度，角加速度向量；φ，θ，ψ分别表示无人机的横滚角，俯仰角以及航向角。6.如权利要求3所述的一种动态特性未知的四旋翼无人机姿态控制器的设计方法，其特征在于，所述四旋翼飞行器的姿态角限制为：其中，φ，θ，ψ分别表示无...

【专利技术属性】
技术研发人员：马昕，李轾，李贻斌，宋锐，荣学文，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37