基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，包括以下步骤：建立四旋翼的动力学模型；设计与动力学模型相对应的线性扩张观测器；设计与动力学模型相对应的非奇异快速终端滑模控制律；设计多个性能优化指标，并采用果蝇算法对线性扩张观测器和非奇异快速终端滑模控制律中的控制参数进行整定，得到四旋翼轨迹跟踪控制器；通过四旋翼轨迹跟踪控制器对四旋翼飞行器进行控制。本发明专利技术能够提高四旋翼轨迹跟踪控制的收敛速度和鲁棒性，并能够有效估计系统集总干扰影响，从而有效抑制抖振，提高四旋翼轨迹跟踪控制的精度。

Nonsingular Terminal Sliding Mode Control of Four Rotors Based on Linear Expansion Observer

【技术实现步骤摘要】
基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法
本专利技术涉及飞行器控制
，具体涉及一种基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法。
技术介绍
四旋翼飞行器是一种集控制、机械、传感器、人工智能等跨学科先进技术为一体的空中飞行机器人，近年来一直是国内外学者们研究的热点，并且具有广泛的军用与民用价值，例如敌情侦察、地形勘测、城市建模、航拍娱乐等。然而，由于四旋翼飞行器是一种高非线性、强耦合、欠驱动的多输入多输出系统，对其设计高精度的轨迹跟踪控制器难度较大，同时，由系统外部不确定性与内部动态变化组成的复杂集总干扰，也会进一步加剧高精度的轨迹跟踪控制器的设计难度。目前对于四旋翼的轨迹跟踪控制器的设计大致可分为两类：线性控制器与非线性控制器。其中线性控制器需要被控对象的精确模型才能设计出控制律，诸如LQR、模型预测控制、H∞控制等，上述控制策略适合某些固定工作点或小范围飞行包线内的线性模型，并不能涵盖大范围的飞行包线，但非线性控制器能够实现大范围飞行包线控制，具有半全局或全局稳定性，理论研究价值更高。然而，实际飞行中的四旋翼飞行器总是存在着被复杂集总干扰(像阵风扰动、驱动电机失效、测量误差等)影响的问题，该问题极大影响了非线性控制器的设计。因此，设计一种能够抑制集总干扰的非线性控制器对提高四旋翼轨迹跟踪控制精度的意义很大。目前的解决办法是采用滑模控制，其本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性，这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的结构并不固定，可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识，物理实现简单等优点。该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后，难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生颤动，即抖振问题，除此之外，传统滑模控制还存在收敛速度慢、鲁棒性差的问题。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，能够提高四旋翼轨迹跟踪控制的收敛速度和鲁棒性，并能够有效估计系统集总干扰影响，从而有效抑制抖振，提高四旋翼轨迹跟踪控制的精度。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，包括以下步骤：建立四旋翼的动力学模型；设计与所述动力学模型相对应的线性扩张观测器；设计与所述动力学模型相对应的非奇异快速终端滑模控制律；设计多个性能优化指标，并采用果蝇算法对所述线性扩张观测器和所述非奇异快速终端滑模控制律中的控制参数进行整定，得到四旋翼轨迹跟踪控制器；通过所述四旋翼轨迹跟踪控制器对四旋翼飞行器进行控制。根据本专利技术实施例基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，首先通过建立四旋翼的动力学模型，然后设计与动力学模型相对应的线性扩张观测器和非奇异快速终端滑模控制律，并设计多个性能优化指标，采用果蝇算法对线性扩张观测器和非奇异快速终端滑模控制律中的控制参数进行整定，得到四旋翼轨迹跟踪控制器，最后通过此四旋翼轨迹跟踪控制器对四旋翼飞行器进行控制，由此，能够提高四旋翼轨迹跟踪控制的收敛速度和鲁棒性，并能够有效估计系统集总干扰影响，从而有效抑制抖振，提高四旋翼轨迹跟踪控制的精度。另外，根据本专利技术上述实施例提出的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述动力学模型包括位置动力学与姿态动力学两部分，以以下6个二阶系统作为6个独立的控制通道：其中，[x,y,z]为三轴位置，[φ,θ,ψ]为三轴姿态角，U1为总距输入，U2为俯仰输入，U3为滚转输入，U4为偏航输入，m为整机质量，g为重力加速度，I＝[Ixx,Iyy,Izz]T为惯性矩，d1～d6为各通道上的集总干扰。进一步地，二阶系统对应的线性扩张观测器为：其中，是二阶系统中状态量[x1,x2,x3]T的估计值，x3为集总干扰，y为系统实际输出，为系统估计输出，b为控制器增益，通过实现对集总干扰x3的估计。进一步地，其中，L通过极点配置的方式计算获得：其中，ωo＞0是观测器增益。进一步地，所述非奇异快速终端滑模控制律为：其中，ue为等效控制律，ur为趋近律，ur＝b-1(k1s+k2sig(s)p)，其中，b为控制器参数，β与γ为权重因子，β＞0，1＜γ＜2，跟踪误差e为期望信号xr与估计信号的差，s为滑模面，p为滑模因子。进一步地，所述性能优化指标为4个，分别为误差绝对值的积分、误差平均积分、误差乘以时间的绝对值积分和误差乘以时间的平方积分。进一步地，所述线性扩张观测器和所述非奇异快速终端滑模控制律中的控制参数包括ωo、β、k1和k2。所述果蝇算法包括以下步骤：S11，初始化参数：初始化果蝇的种群数目Gs，总迭代次数Tmax和果蝇种群的初始位置(X_axis,Y_axis)；S12，随机计算距离：每个果蝇个体依靠嗅觉去随机寻找食物源，并确定其方向与距离，其中，(Xi,Yi)为食物源的位置，SV为果蝇个体到随机食物源的距离；S13，气味浓度计算：计算原点到随机食物源的距离，再根据距离定义气味浓度：其中，Disti为原点到随机食物源的距离，Ei为气味浓度。S14，目标函数计算：将气味浓度代入到目标函数的公式中，来计算每个果蝇个体的气味浓度Smelli，并找出具有最佳的气味浓度的果蝇个体：S15，算法进化：记录并保留最佳的气味浓度的果蝇个体与其位置，其他剩余果蝇均向最佳果蝇处集中，实现算法的进化：S16，终止条件：进入迭代寻优，重复执行步骤S12～S15，并判断当前最佳气味浓度是否优于前一代，若是，则保留当前寻优结果；若否，则被摒弃，直到迭代次数等于总迭代次数。进一步地，所述果蝇算法增加自适应策略：其中，ωm∈(0,1)为权重因子，BestSmelli-1为前一代最优的气味浓度值，τ∈(0,1)为限制因子，T为当前迭代次数，hmin为最小步长，μ为正整数，此时步骤S12中食物源的位置为：附图说明图1为本专利技术实施例的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法的流程图；图2为本专利技术一个实施例的基于自适用果蝇算法的控制器参数整定流程图；图3为本专利技术一个实施例的基于4种性能优化指标的迭代曲线对比图；图4(a)为本专利技术一个实施例的以滚转角为例的参数整定效果图；图4(b)为本专利技术一个实施例的以俯仰角为例的参数整定效果图；图4(c)为本专利技术一个实施例的以偏航角为例的参数整定效果图；图5(a)为本专利技术实施例的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法与传统的线性自抗扰控制方法的关于X轴的响应的仿真对比图；图5(b)为本专利技术实施例的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法与传统的线性自抗扰控制方法的关于Y轴的响应的仿真对比图；图5(c)为本专利技术实施例的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法与传统的线性自抗扰控制方法的关于Z轴的响应的仿真对比图；图5(d)为本专利技术实施例的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法与传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，包括：建立四旋翼的动力学模型；设计与所述动力学模型相对应的线性扩张观测器；设计与所述动力学模型相对应的非奇异快速终端滑模控制律；设计多个性能优化指标，并采用果蝇算法对所述线性扩张观测器和所述非奇异快速终端滑模控制律中的控制参数进行整定，得到四旋翼轨迹跟踪控制器；通过所述四旋翼轨迹跟踪控制器对四旋翼飞行器进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，包括：建立四旋翼的动力学模型；设计与所述动力学模型相对应的线性扩张观测器；设计与所述动力学模型相对应的非奇异快速终端滑模控制律；设计多个性能优化指标，并采用果蝇算法对所述线性扩张观测器和所述非奇异快速终端滑模控制律中的控制参数进行整定，得到四旋翼轨迹跟踪控制器；通过所述四旋翼轨迹跟踪控制器对四旋翼飞行器进行控制。2.根据权利要求1所述的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，所述动力学模型包括位置动力学与姿态动力学两部分，以以下6个二阶系统作为6个独立的控制通道：其中，[x,y,z]为三轴位置，[φ,θ，ψ]为三轴姿态角，U1为总距输入，U2为俯仰输入，U3为滚转输入，U4为偏航输入，m为整机质量，g为重力加速度，I＝[Ixx,Iyy,Izz]T为惯性矩，d1～d6为各通道上的集总干扰。3.根据权利要求2所述的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，二阶系统对应的线性扩张观测器为：其中，是二阶系统中状态量[x1,x2,x3]T的估计值，x3为集总干扰，y为系统实际输出，为系统估计输出，b为控制器增益，通过实现对集总干扰x3的估计。4.根据权利要求3所述的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，其中，L通过极点配置的方式计算获得：其中，ωo＞0是观测器增益。5.根据权利要求4所述的基于线性扩张观测器的四旋翼非奇异终端滑模控制方法，其特征在于，所述非奇异快速终端滑模控制律为：其中，ue为等效控制律，ur为趋近律，ur＝b-1(k1s+k2sig(s)p)，其中，b为控制器参数，β与γ为权重因子，β＞0，1＜γ＜2，跟踪误差e为期望信号xr与估计信号的差，s为滑模面，p为滑模因子。6.根据权利要求5所述的基于线性...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁力，虞青，高振奇，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32