基于预设跟踪误差的四旋翼动态面积分滑模控制器制造技术

本发明专利技术公开了基于预设跟踪误差的四旋翼动态面积分滑模控制器，该控制器是基于如下步骤实现的：1）构造考虑外部扰动和未知参数的四旋翼动力学模型；2)基于模糊逻辑系统的逼近器，使其逼近理想状态下四旋翼系统模型的控制输入；3)引入切换控制补偿模糊系统估计的输入与理想输入之间的误差,获得精确的实际控制输入；4)将动态面控制与积分滑模控制相结合，设计出四旋翼自适应模糊动态面积分滑模控制器。本发明专利技术能够实现跟四旋翼飞行轨迹满足预设跟踪误差指标，在存在参数不确定和外界扰动的情况下，提高了控制系统的鲁棒性，最终保证闭环系统的所有信号最终一致有界。

【技术实现步骤摘要】
基于预设跟踪误差的四旋翼动态面积分滑模控制器
本专利技术属于四旋翼无人飞行器控制领域，具体涉及基于预设跟踪误差的四旋翼动态面积分滑模控制器。
技术介绍
四旋翼无人飞行器由于其外形新颖，结构简单，成本低廉，性能卓越的优势，独特的飞行控制方式(通过控制四只旋翼的转速，来实现飞行控制)得到越来越多的科研人员的青睐。然而，四旋翼无人飞行器是一种典型的欠驱动系统，它只有四个输入作用，却有六个运动自由度。相对全驱动系统而言，欠驱动系统的控制设计更为复杂。同时它还具有强耦合性，非线性，多变量，存在参数不确定性等特点，给四旋翼飞行的稳定控制增加了难度。因此，基于四旋翼动力学模型进行先进控制器的设计具有重要的现实意义。为了保证四旋翼无人机平稳地飞行，现阶段提出了多种控制策略。常见的控制策略有自适应PID控制，反馈线性化，反步法控和滑模控制等。但这些方法各有各的局限性。自适应PID控制的参数调整依赖经验，且鲁棒性较差；反馈线性化方法适用于线性系统，对于四旋翼非线性控制有很大的局限性；反步法在推导控制率的过程中因多次微分会导致微分爆炸的问题；传统的积分滑模控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于预设跟踪误差的四旋翼动态面积分滑模控制器，其特征在于：所述控制器是基于以下步骤实现的：/n1)构造考虑外部扰动和未知参数的四旋翼动力学模型；/n2)基于模糊逻辑系统的逼近器，使其逼近理想状态下四旋翼系统模型的控制输入；/n3)引入切换控制，补偿模糊系统估计的输入与理想输入之间的误差,获得精确的实际控制输入；/n4)将动态面控制与积分滑模控制相结合，设计出四旋翼自适应模糊动态面积分滑模控制器。/n

【技术特征摘要】
1.基于预设跟踪误差的四旋翼动态面积分滑模控制器，其特征在于：所述控制器是基于以下步骤实现的：
1)构造考虑外部扰动和未知参数的四旋翼动力学模型；
2)基于模糊逻辑系统的逼近器，使其逼近理想状态下四旋翼系统模型的控制输入；
3)引入切换控制，补偿模糊系统估计的输入与理想输入之间的误差,获得精确的实际控制输入；
4)将动态面控制与积分滑模控制相结合，设计出四旋翼自适应模糊动态面积分滑模控制器。


2.如权利要求1所述的四旋翼动态面积分滑模控制器，其特征在于：步骤1)含外部和参数并不确定情况下的四旋翼无人飞行器的数学模型如公式(1)所示；



其中为状态变量，代表实际位置信息和姿态角信息；Uχ，(χ＝1,2,3,4)是四个控制输入；dN，(N＝1,2,...,6)为外部扰动，并有如下定义：



其中m为四旋翼的质量；Ωχ，(χ＝1,2,3,4)是飞行器四个旋翼的转速；lk是四旋翼几何中心到旋翼之间的距离(m)；Jx，Jy和Jz分别为四旋翼关于X，Y和Z轴的转动惯量；aμ，(μ＝1,2,...,11)为四旋翼数学模型的参数，这些参数在实际过程中存在不确定性，在设计控制器的过程中，加入模糊系统对这些不确定项进行逼近，以保证系统的跟踪性能和鲁棒性；这些参数部分定义如下：



其中x，y和z分为是四旋翼飞行时的位置分量(m)；θ和φ分别为四旋翼的翻滚角，俯仰角和偏航角(rad)；C(.)和S(.)代表的是cos(.)和sin(.)函数；Jx，Jy和Jz分别为OX,OY和OZ轴的转动惯量；Jr表示每个转子的转动惯量；为四个旋子的转速差；dx，dy，dz，dφ，dθ和是相应的空气阻力系数。


3.如权利要求1所述的四旋翼动态面积分滑模控制器，其特征在于：步骤2)采用四旋翼无人飞行器的模糊逻辑系统的逼近器为：
y(x)＝αTξ(x)(4)
其中，α∈Rn为可调权值向量，ξ(x)＝[ξ1(x),ξ2(x),...,ξN(x)]T为模糊基函数向量；模糊基函数选择为：



其中，为选用的高斯基函数作为模糊隶属度函数；则对紧密集Ω∈Rn内的任意连续函数f(x)，都可以用模糊逻辑系统对其进行逼近，
f(x)＝α*Tξ(x)+ε(x)(6)
其中α*是权值向量α的最优值，ε(x)是逼近器的逼近误差，满足条件是逼近误差的最大值且


4.如权利要求1所述的四旋翼动态面积分滑模控制器，其特征在于：步骤3)引用切换控制,来补偿模糊系统估计的输入与理想输入之间的误差；
当采用模糊系统逼近控制输入时，根据上述模糊逼近理论，存在最优模糊系统ufz来逼近理想输入u*，
u*＝ufz(S,α)+ε＝αTξ+ε(7)
其中ε是逼近器的逼近误差，α为可调权值向量，ξ为模糊基函数，满足|ε|<E，且E为模糊系统估计误差的上界；
为了使控制输入更加精确，采用切换控制率uvs来补偿u*和ufz之间的差值，



其中为E估计值，S为预选的积分滑模面，则总的控制控制输入为：
u＝ufz+uvs(9)。


5.如权利要求1所述的四旋翼动态面积分滑模控制器，其特征在于：步骤4)四旋翼自适应模糊动态面积分滑模控制器的设计，包含如下步骤：
第一步：对于四旋翼位置系统方程，



定义位置误差：
ei＝xi-xid(i＝1,3,5)(11)
其中xid为x，y和z的预设位置轨迹，xi分别为x，y和z实际的位置轨迹；对ei进行求导，



定义虚拟控制量则



其中cj为正常数，为x，y和z的预设位置轨迹的导数；
为了解决多次求导引起的“微分爆炸”的问题，让虚拟控制量通过下面的一阶滤波器得到新的状态变量x(i+1)d(i＝1,3,5)，作为xi+1(i＝1,3,5)的参考变量，



其中x(i+1)d是滤波器的输出，是滤波器的误差，τj为滤波器时间常数；定义以下积分滑模面：



其中ki和ki+1是任意正常数；
假设滑模控制是在理想的状态下，则Sj对时间的导数为,



引入三个新的变量作为新的控制输入，



则



假设上述方程的扰动dj(j＝1,2,3)和参数aj(j＝1,2,3)都是已知的，则可以得到理想状态下的控制输入，
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝国强，徐宁，张秀宇，孙灵芳，彭雅轩，李志伟，李静，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22