一种非奇异预设时间四旋翼无人机姿态跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种非奇异预设时间四旋翼无人机姿态跟踪控制方法，包含：S1、基于无人机安装的陀螺仪等传感器测量得到的包括滚转角、俯仰角和偏航角的姿态数据，引入四旋翼无人机姿态控制系统的拉格朗日系统模型，结合误差变量，得到误差动力学模型；S2、根据步骤S1的数据，生成非奇异预设时间控制器；S3、基于所述非奇异预设时间控制器，控制四旋翼无人机姿态在预设时间内跟踪上期望姿态。其优点是：该方法基于反馈控制技术，通过预设时间控制概念生成非奇异预设时间控制器，保证存在外部干扰情况下四旋翼无人机的姿态误差能在预设时间内收敛到原点的一个邻域内，实现高精度的姿态跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种非奇异预设时间四旋翼无人机姿态跟踪控制方法
本专利技术涉及四旋翼无人机姿态系统姿态跟踪控制领域，具体涉及一种四旋翼无人机姿态控制系统非奇异预设时间姿态跟踪控制方法。
技术介绍
四旋翼无人机因其优良的性能迅速获得了各界的关注，成为研究的热点。与固定翼无人机相比，它具有可垂直起降、空中悬停的优点；与单旋翼无人直升机相比，它具有机械结构更简单、安全性更好且制造成本更低的优点。因此，近年来四旋翼无人机在植保、编队表演、森林灭火以及物流配送等领域应用。但由于四旋翼无人机控制系统是一个典型的非线性系统，且在飞行环境中总会存在风力等干扰，因此，对四旋翼无人机快速、稳定的轨迹跟踪控制方法的研究越来越受到广大学者的关注。由于传统的控制算法仅能保证系统的渐进稳定性或指数稳定性，即随着时间趋于无穷系统的状态误差趋于原点，有限/固定时间控制方案近年来被广泛研究。申请公布号CN111026160A的专利技术专利设计了一种基于扰动估计信息的固定时间轨迹跟踪控制方案，保证无人机的角度、角速度误差以及位置、速度误差均在固定时间内收敛到0。虽然相比传统的控制方案在稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非奇异预设时间四旋翼无人机姿态跟踪控制方法，其特征在于，包含：/nS1、基于四旋翼无人机的三自由度姿态数据，引入四旋翼无人机姿态控制系统的拉格朗日系统模型，结合误差变量，得到误差动力学模型；/nS2、根据步骤S1的数据，基于预设时间控制概念生成非奇异预设时间控制器；/nS3、基于所述非奇异预设时间控制器，控制四旋翼无人机姿态在预设时间内跟踪上期望姿态。/n

【技术特征摘要】
1.一种非奇异预设时间四旋翼无人机姿态跟踪控制方法，其特征在于，包含：
S1、基于四旋翼无人机的三自由度姿态数据，引入四旋翼无人机姿态控制系统的拉格朗日系统模型，结合误差变量，得到误差动力学模型；
S2、根据步骤S1的数据，基于预设时间控制概念生成非奇异预设时间控制器；
S3、基于所述非奇异预设时间控制器，控制四旋翼无人机姿态在预设时间内跟踪上期望姿态。


2.如权利要求1所述的非奇异预设时间四旋翼无人机姿态跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包含：
所述四旋翼无人机的三自由度姿态数据包含滚转角φ、俯仰角θ和偏航角ψ，
引入四旋翼无人机姿态控制系统的拉格朗日系统模型为：



其中表示四旋翼无人机的位置和姿态向量，是作用在滚转、俯仰、偏航通道上的控制力矩，它由四旋翼无人机的四个电机带动旋翼旋转提供的升力所合成；若令ω1，ω2，ω3，ω4分别表示四个电机的转速，那么相应的控制力以及控制力矩可由和求得，其中和与空气密度、螺旋桨半径、叶片数量以及叶片的几何形状、升力和阻力系数有关，每个姿态通道上的控制力矩可由如下公式求得



其中，l表示各电机到四旋翼无人机质心的距离；

表示四旋翼无人机在飞行过程中受到的有界的外部干扰，且其中每一项分别作用在姿态系统的三个通道上；是一个对称矩阵，其定义为：



其中J11＝I，J13＝-I11Sθ，J22＝I22C2φ+I33S2φ，J23＝(I22-I33)CφSφCθ，J33＝I11S2θ+I22S2φC2θ+I33C2φC2θ；C·和S·分别被定义为和Ijj(j＝1,2,3)表示惯性矩；矩阵定义为



其中，
c11＝0









c22＝(I33-I22)φCφSφ












定义Θd为期望的跟踪信号，则跟踪误差Θe可定义为Θe＝Θ-Θd，令辅助变量x1和x2，x1＝Θe，那么四旋翼无人机姿态系统被转换为如下误差子系统，



其中，Δ表示四旋翼无人机的传感器正常工作时存在的测量误差。


3.如权利要求2所述的非奇异预设时间四旋翼无人机姿态跟踪控制方法，其特征在于，引入一个分段时变函数μ1以保证系统状态误差在预设时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：李波，巩文全，刘慧，王成虎，王思琪，杨勇生，姚海庆，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31