四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质技术

本方法涉及一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质，所述方法包括以下步骤：基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学模型；基于四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量，建立全局渐进收敛观测器；基于全局渐进收敛观测器的观测状态量，建立滑模延时估计控制器，输出控制量。通过基于误差四元数表示姿态，建立了四旋翼无人机的姿态动力学模型，利用全局渐进收敛观测器对系统的状态量进行观测，而该观测器具有参数整定简单、对于噪声干扰不敏感、对系统参数摄动具有更好的鲁棒性等特点，并基于滑模延时估计控制器对四旋翼无人机的姿态进行控制，使得对四旋翼无人机的姿态控制具有更好的控制性能和有效性。

Sliding mode delay estimation control method and storage medium for attitude of four rotor UAV

【技术实现步骤摘要】
四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质
本专利技术涉及四旋翼无人机
，特别涉及一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质。
技术介绍
四旋翼无人机具有垂直起降、定点悬停、机动性强、操作灵活等特点，现已被广泛应用到搜索营救、战场侦查、火场勘察、交通管制等军事及民用领域。现有的四旋翼无人机姿态控制器的姿态数学模型通常是建立在限定姿态角的变化率等于绕机体轴角速度的条件下，即默认机体轴角速度到欧拉角的转换关系矩阵为单位矩阵，然而这种默认的条件只有在飞行器悬停或者小角度飞行时才是合理的。但是，考虑四旋翼无人机应用在军事等领域时，可能需要飞行器做大角度机动飞行，即转换关系矩阵不为单位矩阵时，基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值问题，同时考虑在不依赖控制系统全状态反馈和系统精确模型条件下，四旋翼无人机在飞行过程中遭遇不确定性干扰的问题。
技术实现思路
为此，需要提供一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法及存储介质，解决现有四旋翼无人机的姿态动力学模型中基于欧拉角表示的转换矩阵会出现奇异值的问题，以及在不依赖控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学模型；/n基于四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量，建立全局渐进收敛观测器；/n基于全局渐进收敛观测器的观测状态量，建立滑模延时估计控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。/n

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学模型；
基于四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量，建立全局渐进收敛观测器；
基于全局渐进收敛观测器的观测状态量，建立滑模延时估计控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量。


2.根据权利要求1所述四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法，其特征在于，所述“基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学模型”具体包括以下步骤：
确定四旋翼无人机的数学模型ω为在机体坐标EB下相对于惯性坐标EI的角速度，且J为四旋翼无人机的转动惯量矩阵，且U为四旋翼无人机的控制力矩，且D为合外力矩MT中除控制力矩U之外其他的力矩，有界且导数存在，S(·)为对称矩阵；
根据欧拉角参数化及XYZ轴转动顺序，得到转换矩阵φ为四旋翼无人机的滚转姿态角、θ为四旋翼无人机的俯仰姿态角，ψ为四旋翼无人机的偏航姿态角；
基于单位四元数替代欧拉角描述转换矩阵R，得到基于单位四元数的转换矩阵简化得单位四元数为q0为单位四元数的标量部分，为单位四元数的矢量部分，单位四元数q满足I3为3×3单位矩阵；
基于单元四元数建立与机体坐标下的角速度ω的关系方程
根据四旋翼无人机的期望机体坐标系为EBd＝(xBd,yBd,zBd)，四旋翼无人机相对于惯性坐标EI在期望机体坐标EBd下的期望角速度为ωd，期望单位四元数为满足得到期望机体坐标到惯性坐标的转换矩阵为Rd∈SO(3)，根据期望单元四元数得
根据期望四元数建立在期望机体坐标下的期望角速度ωd的关系方程其中，
根据相对于实时的机体坐标下得到期望机体坐标，确定四旋翼无人机的追踪误差四元数为其中，qve＝qodqv-q0qvd+S(qv)qvd，
根据转换矩阵R和Rd之间的转换误差矩阵为建立期望四元数qd与在期望机体坐标EB下的期望角速度ωd的关系方程
确定四旋翼无人机姿态控制目标为
根据相对于期望机体坐标，机体坐标下的角速度为即ωe＝ω-Reωd，建立误差四元数qe与角速度ωe的关系方程其中，
基于误差四元数，建立四旋翼无人机姿态的动力学方程


3.根据权利要求2所述四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法，其特征在于，所述“基于四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量，建立全局渐进收敛观测器”具体包括以下步骤：
将四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量qve，ωe的观测量分别为
确定全局渐进收敛观测器的观测误差为χ1＝δ1-qve，χ2＝δ2-ωe；
根据观测误差，建立全局渐进收敛观测器为n为自由度数，Li为对角正定矩阵，且αi为小于1的待定正数，i＝1,2；
对观测误差进行求导计算，得到观测误差状态方程其中，


4.根据权利要求3所述四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法，其特征在于，所述“基于全局渐进收敛观测器的观测状态量，建立滑模延时估计控制器，输出四旋翼无人机姿态控制量”具体包括以下步骤：
将全局渐进收敛观测器的测量状态δ1和δ2分别代替四旋翼无人机姿态的动力学模型输出的状态量qve和ωe；
建立新的追踪误差量为
根据滑模函数s＝z2+Ksz1，根据延时估计算法对不确定量进行估计，令计算滑模延时估计控制器β为正常数，L为取样时间；
将滑模函数及滑模延时估计控制器代入到四旋翼无人机姿态的动力学模型中得到闭环系统方程


5.根据权利要求4所述四旋翼无人机姿态的滑模延时估计控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将符号函数sgn()替换为tanh()，对计算得到的滑模延时估计控制器进行改写，得到新的滑模延时估计控制器其中，μ为正增益，为正定开关矩阵，且正定开关矩阵的自适应律...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦景欣，范逸群，马伟平，杨建军，
申请(专利权)人：莆田学院，
类型：发明
国别省市：福建;35