用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法技术

本发明专利技术涉及倾转式三旋翼无人机位置的非线性控制，为提出针对倾转式三旋翼无人机的内外环控制策略问题，设计一类倾转式三旋翼无人机位置子系统与姿态子系统的控制器，为此，本发明专利技术用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法，步骤如下：1)建立倾转式三旋翼无人机相关的坐标系：2)建立倾转式旋翼无人机位置和姿态的动力学模型：3)设计非线性控制器a)位置子系统控制器设计b)姿态子系统控制器设计。本发明专利技术主要应用于三旋翼无人机位置的非线性控制场合。

【技术实现步骤摘要】
用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法
本专利技术涉及倾转式三旋翼无人机位置的非线性控制设计，具体讲,涉及用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法。
技术介绍
倾转式三旋翼无人飞行器融合了多旋翼直升机与倾转式飞行器二者的优势，在保持多旋翼直升机垂直起降，便于操作的特点的基础上，在尾舵增加了舵机，改善了动力机构，因而也具备倾转式飞行器机动性能强，有效载荷大等优点，具备一定的研究潜力和研究价值。作为多旋翼无人机的一种，倾转式三旋翼无人机具有静不稳定、欠驱动、强耦合及数学模型非线性等特点。静不稳定性要求针对多旋翼无人机所设计的控制策略必须为实时控制律；欠驱动特性表明多旋翼无人机难以实现六个自由度的独立控制，必须进行相关自由度的耦合；强耦合及数学模型非线性则需要所设计的控制器具有良好的鲁棒性，同时由于无人机飞行过程中的各类不确定因素，更增加了这类飞行器的控制难度。法国的贡比涅技术大学的研究人员在忽略尾舵产生的侧向力的情况下，建立了倾转式三旋翼无人机姿态与位置的动力学模型，并结合了饱和函数和比例微分控制器，设计了关于这类无人机的姿态和位置控制器，其位置的控制精度在0.1m以内，滚转角和俯仰角的控制精度在2以内，偏航角的控制精度在5以内(期刊：ControlEngineeringPractice；著者：Salazar-CruzS,LozanoR,J，出版年月：2009年；文章题目：Stabilizationandnonlinearcontrolforanoveltrirotormini-aircraft，页码：886-894)(期刊：IEEETransactionsonAerospace&ElectronicSystems；著者：Salazar-CruzS,KendoulF,LozanoR，出版年月：2008年；文章题目：Real-timestabilizationofasmallthree-rotoraircraft，页码：783-794)。国防科技大学的研究者将倾转式三旋翼无人机结构与固定翼飞行器相结合，保持尾舵电机固定，在前侧的电机下安装舵机，并在无人机机身两侧加装机翼，得到了一种较为灵活的翼型结构。这类构型有效提高了无人机的续航时间，增强无人机的机动性能，但也使无人机动力学模型的分析及其控制变得较为复杂。研究人员主要研究了这类无人机的动力学模型，并在悬挂式实验平台上进行验证。并在已有的基础上设计了一类PI-PD双环控制器，实现了无人机速度与姿态的镇定，并进行了数值仿真验证(会议：The35thChineseControlConference(CCC)；著者：ChenA，ZhangD，ZhangJ；出版年月：2016年；文章题目：Anewstructuralconfigurationoftiltingrotorunmannedaerialvehiclemodeling；页码：2120-2125)(会议：TheIEEEInternationalConferenceInformationandAutomation(ICIA)；著者：ChenC，ZhangD，ZhangJ；出版年月：2016年；文章题目：MathematicalmodelingandcontrolofatiltrotorUAV；页码：2016-2021)。法国国立巴黎高等矿业学校在三旋翼无人机各轴的直流无刷电机下方均安装舵机，其每个电机旋转轴的倾角可独立调节，因此这种三旋翼无人机具备了较强的机动性能。研究人员分析了此类无人机的受力情况，推导出了姿态与位置的动力学模型，在此基础上，针对三旋翼无人机的轨迹跟踪问题设计了一种基于平面度的控制方案，并完成了圆形轨迹跟踪飞行实验，参考轨迹的直径约为2.0m，控制精度在0.2m以内(会议：theInternationalConferenceonUnmannedAircraftSystems；著者：ServaisE,D'Andrea-NovelB,MounierH；出版年月：2015年；文章题目：Groundcontrolofahybridtricopter；页码：945-950)(会议：InternationalConferenceonMethodsandMODELSinAutomationandRobotics；著者：ServaisE,D'Andrea-NovelB,MounierH；出版年月：2015年；文章题目：TrajectorytrackingoftrirotorUAVwithpendulumload；页码：517-522)。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出针对倾转式三旋翼无人机的内外环控制策略问题，设计一类倾转式三旋翼无人机位置子系统与姿态子系统的控制器，为此，本专利技术用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法，步骤如下：1)建立倾转式三旋翼无人机相关的坐标系：定义如下两个坐标系，分别为惯性坐标系{I}和体坐标系{B}，二者均满足右手定则，惯性坐标系{I}原点位于地面，体坐标系{B}原点位于三旋翼无人机的质心，{ExEyEz}和{BxByBz}分别表示惯性坐标系{I}和体坐标系{B}对应的三个主轴；2)建立倾转式旋翼无人机位置和姿态的动力学模型：位置模型表示为:其中x、y、z分别表示倾转式三旋翼无人机质心位置在惯性坐标系{I}中的坐标值，Fz表示该无人机在在惯性坐标系{I}中Ez轴方向的升力，m表示该无人机的质量，φ、θ、ψ分别表示该无人机的姿态信息，即滚转角、俯仰角及偏航角，g表示重力加速度，d表示倾转式三旋翼无人机由尾舵引入的扰动加速度，H(eη,ηd)表示倾转式三旋翼无人机内外环耦合部分，v表示倾转式三旋翼无人机的控制器，表示为：上式中，φd、θd、ψd分别为由位置控制器解算得到的无人机目标滚转角、目标俯仰角与目标偏航角；倾转式三旋翼无人机姿态动力学模型表示为：其中M(η)为惯性矩阵可简记M，为科里奥利力和向心力矩阵，可简记为C，为无人机各通道的动力矩，η(t)＝[φθψ]T表示该无人机的姿态，为无人机在体坐标系{B}受到的扰动力矩向量，Ψ表示体坐标系{B}到惯性坐标系{I}的角速度转换矩阵；3)设计非线性控制器a)位置子系统控制器设计在设计外环控制器时，采用的倾转式三旋翼无人机动力学模型如下式所示：外环误差表示为Eη，并设计误差系统滤波器γ，构造扰动观测器如下式所示：定义中间变量δ＝s-z并代入式上式中，得：其中，作为式系统的扰动d的观测值，作出合理假设，假设侧向力扰动d及其导数有界时，满足条件d≤|M1|，将扰动估计的关于时间的一阶导数设计为：上式中均为是对角参数矩阵，同时设计位置环控制器v为：其中为正对角参数矩阵；b)姿态子系统控制器设计利用下式所示的倾转式三旋翼无人机姿态动力学模型：其中M(η)为惯性矩阵可简记M，为科里奥利力和向心力矩阵，简记为C，定义姿态角跟踪误差及滤波误差表示为下式所示：eη＝η-ηd,其中ηd＝[φdθdψd]T表示该无人机的目标姿态，为一正对角常系数矩阵。对rη求关于时间的一阶导数，得下式：其中N定义为一中间变量，表示为对中间变量N进行推导，令则有：同时定义定义sη＝[eηrη]T，因此倾转式三旋翼无人机姿态控制动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法，其特征是，步骤如下：1)建立倾转式三旋翼无人机相关的坐标系：定义如下两个坐标系，分别为惯性坐标系{I}和体坐标系{B}，二者均满足右手定则，惯性坐标系{I}原点位于地面，体坐标系{B}原点位于三旋翼无人机的质心，{Ex Ey Ez}和{Bx By Bz}分别表示惯性坐标系{I}和体坐标系{B}对应的三个主轴；2)建立倾转式旋翼无人机位置和姿态的动力学模型：位置模型表示为:

【技术特征摘要】
1.一种用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法，其特征是，步骤如下：1)建立倾转式三旋翼无人机相关的坐标系：定义如下两个坐标系，分别为惯性坐标系{I}和体坐标系{B}，二者均满足右手定则，惯性坐标系{I}原点位于地面，体坐标系{B}原点位于三旋翼无人机的质心，{ExEyEz}和{BxByBz}分别表示惯性坐标系{I}和体坐标系{B}对应的三个主轴；2)建立倾转式旋翼无人机位置和姿态的动力学模型：位置模型表示为:其中x、y、z分别表示倾转式三旋翼无人机质心位置在惯性坐标系{I}中的坐标值，Fz表示该无人机在在惯性坐标系{I}中Ez轴方向的升力，m表示该无人机的质量，φ、θ、ψ分别表示该无人机的姿态信息，即滚转角、俯仰角及偏航角，g表示重力加速度，d表示倾转式三旋翼无人机由尾舵引入的扰动加速度，H(eη,ηd)表示倾转式三旋翼无人机内外环耦合部分，v表示倾转式三旋翼无人机的控制器，表示为：上式中，φd、θd、ψd分别为由位置控制器解算得到的无人机目标滚转角、目标俯仰角与目标偏航角；倾转式三旋翼无人机姿态动力学模型表示为：其中M(η)为惯性矩阵可简记M，为科里奥利力和向心力矩阵，可简记为C，为无人机各通道的动力矩，η(t)＝[φθψ]T表示该无人机的姿态，为无人机在体坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜斌，金鑫，张旭，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12