一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术提供了一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪控制方法，包含以下步骤：建立旋翼飞行器的数学模型；采用分层控制方案，将旋翼飞行器分为高度通道、平动系统和姿态系统，并针对每个通道单独设计控制器；针对高度通道，设计有限时间控制器产生飞行所需升力，并引入辅助系统补偿输入饱和作用；针对平动系统，设计有限时间控制器，产生期望滚转角和期望俯仰角；针对姿态系统，设计线性自抗扰控制器，产生飞行所需力矩。本发明专利技术提供的控制策略不但能够提高旋翼飞行器的收敛速度、跟踪精度和抗扰动能力，还能有效补偿输入饱和对控制性能的影响；本发明专利技术提供的控制策略设计简单，计算量少，便于实现，具有很高的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪控制方法
本专利技术涉及旋翼飞行器自动控制
，具体涉及一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪控制方法。
技术介绍
旋翼飞行器本质上的垂直起降、自主悬停和高机动飞行能力使其在各行各业都有广泛应用；同时旋翼飞行器本身的欠驱动、非线性、强耦合特性，以及飞行环境中多变的外部扰动又给其自主飞行控制带来很大难度，受到控制界专家学者的高度关注。本专利技术中考虑的旋翼飞行器是一种共轴十二旋翼无人飞行器，结构如图1所示。十二个旋翼两两一组，与机体平面成γ角度安装在连杆末端提供飞行动力，相邻的两个旋翼旋转方向相反。通过改变各个旋翼的转速实现飞行器的各种运动：高度运动：同时增大或者同时减小每个旋翼的转速。滚转运动：Ω1+Ω2+Ω11+Ω12≠Ω5+Ω6+Ω7+Ω8俯仰运动：Ω1+Ω2+Ω3+Ω4+Ω5+Ω6≠Ω7+Ω8+Ω9+Ω10+Ω11+Ω12偏航运动：Ω1+Ω3+Ω5+Ω7+Ω9+Ω11≠Ω2+Ω4+Ω6+Ω8+Ω10+Ω12其中Ω1,Ω2,Ω3,Ω4,Ω5,Ω6,Ω7,Ω8,Ω9,Ω10,Ω11,Ω12分别是旋翼1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，建立旋翼飞行器的数学模型，所述模型包括飞行器的位移系统模型、姿态系统模型与控制关系模型；步骤2，设计旋翼飞行器的分层控制方案，将飞行器分为高度通道、平动系统与姿态系统，并针对每个通道单独设计控制器，所述控制方案将旋翼飞行器分解为若干个二阶子系统，简化设计过程；步骤3，设计旋翼飞行器的高度控制器，基于有限时间控制策略设计高度控制器以产生飞行所需控制力，并引入辅助系统补偿输入饱和作用，保证高度通道的有限时间收敛特性和抗干扰能力；步骤4，设计旋翼飞行器的平动控制器，采用有限时间控制策略设计平动控制器以产生飞行器姿...

【技术特征摘要】
1.一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，建立旋翼飞行器的数学模型，所述模型包括飞行器的位移系统模型、姿态系统模型与控制关系模型；步骤2，设计旋翼飞行器的分层控制方案，将飞行器分为高度通道、平动系统与姿态系统，并针对每个通道单独设计控制器，所述控制方案将旋翼飞行器分解为若干个二阶子系统，简化设计过程；步骤3，设计旋翼飞行器的高度控制器，基于有限时间控制策略设计高度控制器以产生飞行所需控制力，并引入辅助系统补偿输入饱和作用，保证高度通道的有限时间收敛特性和抗干扰能力；步骤4，设计旋翼飞行器的平动控制器，采用有限时间控制策略设计平动控制器以产生飞行器姿态系统的期望滚转角与期望俯仰角，提高平动系统的收敛速度和跟踪精度，保证平动系统的有限时间稳定性；步骤5，设计旋翼飞行器的姿态控制器，引入线性自抗扰算法设计姿态控制器以产生飞行所需控制力矩，提高姿态系统的鲁棒性。2.根据权利要求1所述的一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪方法，其特征在于，步骤1中所述旋翼飞行器为共轴十二旋翼飞行器，飞行器的位移系统模型为：其中，φ,θ,ψ分别表示旋翼飞行器的滚转角、俯仰角与偏航角，x,y,z表示飞行器的位置坐标，u1表示飞行器的控制力，m表示飞行器的质量，dx,dy,dz分别表示作用于飞行器位移系统各个通道的扰动作用，g表示重力加速度，飞行所需控制力u1存在输入饱和约束如下：式中，u是待综合的理想控制力，umax是输入饱和约束的上界，umin是输入饱和约束的下界。3.根据权利要求1所述的一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪方法，其特征在于，步骤1中所述飞行器的姿态系统模型为：其中，p,q,r分别表示飞行器的滚转角速度、俯仰角速度与偏航角速度，u2,u3,u4表示飞行器的控制力矩，Ix,Iy,Iz表示飞行器对机体各轴的转动惯量，dφ,dθ,dψ分别表示作用于飞行器姿态系统各个通道的扰动作用。4.根据权利要求1所述的一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪方法，其特征在于，步骤1中所述飞行器的控制关系模型如下：其中M＝[u2,u3,u4]T表示作用于飞行器的总力矩，Ω1,Ω2,Ω3,Ω4,Ω5,Ω6,Ω7,Ω8,Ω9,Ω10,Ω11,Ω12表示旋翼1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12的转速，l表示飞行器质心和旋翼中心之间的距离，k1表示升力因子，k2表示反扭力矩因子，Ir表示旋翼和电机转子的转动惯量，γ表示各个旋翼转轴与机体平面的夹角。5.根据权利要求1所述的一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪方法，其特征在于，步骤2中针对高度通道，结合辅助系统和有限时间控制策略设计飞行控制力，保证高度通道有限时间稳定的同时补偿输入饱和作用，针对平动通道，基于有限时间控制策略设计虚拟控制量，并基于此计算期望滚转角和期望俯仰角，针对姿态通道，设计线性自抗扰控制器产生飞行控制力矩，所述分层控制方案解决了旋翼飞行器欠驱动特性带来的控制难度。6.根据权利要求1所述的一种旋翼飞行器的有限时间航迹跟踪方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：田彦涛，付春阳，黄海洋，石屹然，徐卓君，卢辉遒，洪伟，张磊，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22