【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人机控制，具体地涉及到四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法。
技术介绍
1、近些年来，四旋翼无人机在军事和民用领域应用广泛，如侦察监视、物流配送、电力线检查等领域。与其它类型的无人驾驶飞行器相比，四旋翼无人驾驶飞行器拥有结构简单、机动性和可控性强等优点。
2、四旋翼无人机核心技术之一是如何设计获得快速高精确地控制方法，而影响控制性能的主要因素有：四旋翼无人飞行器是典型的非线性欠驱动系统，其本身具有非线性、不确定性和强耦合性，还有外部未知干扰等影响，并且还要考虑到无人机驱动器输出饱和限制等，且现存的控制方法性能又常与系统初始状态有关，这些不利因素给四旋翼无人机快速高精度控制性能带来困扰。在现有技术中，还没有出现设计指定固定时间滑模干扰观测器补偿外部干扰，以及结合干扰观测器设计指定固定时间自适应滑模控制方法应用解决未知干扰和输入饱和下四旋翼无人机的快速高精度姿态跟踪控制问题。因此本专利技术提出了一种基于干扰观测器的指定固定时间自适应滑模控制方法，以解决四旋翼无人机在输入饱和与未知干扰影响下的快速高精度姿态跟踪控制问题。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，包括以下步骤：
2、步骤s1、建立具有未知干扰和输入饱和的四旋翼无人机数学模型，并构建姿态跟踪误差状态空间模型；
3、步骤s2、引入双曲正切函数逼近控制输入饱和项，以解决执行器饱和问题；p>
4、步骤s3、设计辅助变量xf并构建二阶辅助动态系统，引入辅助误差建立滑模面sσ，据此设计自适应滑模干扰观测器和观测器参数自适应律，该自适应干扰观测器可以在指定固定内估计系统的未知干扰；
5、步骤s4、通过跟踪误差建立控制滑模面s，据此设计了考虑输入饱和的基于干扰观测器的指定固定时间自适应滑模控制器，并建立了控制自适应律，该控制方法可以使未知干扰和输入饱和下四旋翼无人机在指定固定时间内实现高精度姿态跟踪控制，再利用固定时间控制理论对控制方法进行稳定性证明；
6、步骤s5、建立一种新型非线性函数解决了干扰观测器和控制器的奇异问题，并使用双曲正切函数代替符号函数来克服抖振现象。
7、进一步的，步骤s1中，建立四旋翼无人机数学模型具体过程如下：
8、
9、其中θ＝[φ,θ,ψ]t∈r3为惯性系中的欧拉角矢量，φ,θ,ψ分别代表横滚角、俯仰角和偏航角，四旋翼无人机的饱和控制输入向量为u(t)＝sat(τi)，sat表示饱和函数，τi∈r为系统第i个控制输入，i＝1,2,3，τ1、τ2、τ3分别为作用于横滚、俯仰和偏航通道的控制转矩，d∈r3为未知干扰且上界未知，矩阵j(θ)∈r3×3为：
10、
11、其中，
12、j11＝i11,j13＝-i11sθ,j22＝i22c2φ+i33s2φ,
13、j23＝(i22-i33)cφsφcθ,j33＝i11s2θ+i22s2φc2θ+i33c2φc2θ
14、项c·和s·分别表示三角函数cos(·)和sin(·)，ijj(j＝1,2,3)为转动惯量，矩阵是包含陀螺仪和离心项的科里奥利项，定义为：
15、
16、其中，
17、
18、进一步的，步骤s1中，构建姿态跟踪误差状态空间模型：姿态期望角度定义为θd＝[φd,θd,ψd]t∈r3，姿态跟踪误差定义为θe＝θ-θd，定义x1＝θe和
19、构建姿态跟踪误差状态空间模型为：
20、
21、其中τd＝j-1d，τd有未知上界设为
22、进一步的，步骤s2中，对系统控制输入饱和受限的输入信号u描述为公式：
23、
24、其中，τ＝(τ1,τ2,τ3)t是系统控制输入向量，τi(i＝1,2,3)是列向量τ中的向量，u为饱和控制输入信号，且u的上界为umax＝max(ui)，u的下界为umin＝min(ui)，那么，饱和控制输入信号u近似值可由分段函数a＝(a1,a2,a3)t来表示：
25、
26、
27、引入双曲正切函数，则u能够表示为：
28、u＝satτ(t)＝a(τ)+h(τ)
29、其中，a(τ)和h(τ)都是关于q的函数，h(τ)是一个有界函数为：
30、|h(τi)|＝∣sat(τi)-a(τi)∣
31、≤max{umax(1-tanh(1)),umin(tanh(1)-1)}
32、＝hi
33、hi为h(τi)i＝(1,2,3)的最大值，h＝(h1,h2,h3)t，
34、利用中值定理，其中存在一个μ(0<μ<1)的常数，那么：
35、a(τi)＝a(τ0)+aμi(τi-τ0)
36、其中，则：
37、τμi＝μτi+(1-μ)τ0
38、当τ0＝0时，
39、
40、由上式得到：
41、ui＝aμτi+h(τi)(i＝1,2,3)
42、即
43、u＝aμτ+h。
44、进一步的，步骤s3中，通过设计辅助变量xf并构建二阶辅助动态系统，通过引入辅助误差建立滑模面sσ，据此设计自适应滑模干扰观测器以及观测器参数自适应律，该自适应干扰观测器可以在指定固定内估计系统的未知干扰，具体方法为：
45、设计滑模干扰观测器来估计未知干扰τd，定义辅助变量xf，引入辅助误差为：e1＝x1-xf和设计辅助变量的二阶辅助动态系统为
46、滑模干扰观测器滑模面sσ设计为：
47、
48、其中γ(e1)＝diag[γ1(e11),γ2(e12),γ3(e13)]是对角矩阵，γi(e1i)(i＝1,2,3)可以定义为：
49、
50、其中σ1和σ2为正奇常数，满足σ1>1和1<σ2<2，定义和其中tσ1为用户选择的指定时间，在观测器滑模面上变量e1和e2在指定时间tσ1内收敛到原点；
51、是对角矩阵，定义为：
52、
53、αd2和βd2系数分别为和
54、其中0<ηd<1；0<σ3<1和σ4>1；tσ2为指定的稳定时间。
55、设计滑模干扰观测器为：
56、
57、其中是对参数的估计，设计滑模干扰观测器参数k的自适应律为：
58、
59、其中εd为一个小的正常数，初始状态设为在指定的固定时间tσ1+tσ2内，观测误差收敛到原点的一个邻域。
60、存在一个正常数使得且e2对时间导数是：
61、
62、定义一个ly本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤S1中，建立四旋翼无人机数学模型具体过程如下：
3.根据权利要求2所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤S1中，构建姿态跟踪误差状态空间模型：姿态期望角度定义为Θd＝[φd,θd,ψd]T∈R3，姿态跟踪误差定义为Θe＝Θ-Θd，定义x1＝Θe和
4.根据权利要求3所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤S2中，对系统控制输入饱和受限的输入信号u描述为：
5.根据权利要求4所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤S3中，设计滑模干扰观测器来估计未知干扰τd，定义辅助变量xF，引入辅助误差为：e1＝x1-xF和设计辅助变量的二阶辅助动态系统为
6.根据权利要求5所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤S4中，通过跟踪误差建立控
7.根据权利要求6所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤S5中，新型非线性函数定义为：
8.根据权利要求7所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：对于新型非线性函数G，则滑模控制器为：
...【技术特征摘要】
1.四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤s1中，建立四旋翼无人机数学模型具体过程如下：
3.根据权利要求2所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤s1中，构建姿态跟踪误差状态空间模型：姿态期望角度定义为θd＝[φd,θd,ψd]t∈r3，姿态跟踪误差定义为θe＝θ-θd，定义x1＝θe和
4.根据权利要求3所述的四旋翼无人机基于干扰观测器的指定固定时间控制方法，其特征在于：步骤s2中，对系统控制输入饱和受限的输入信号u描述为：
<...【专利技术属性】
技术研发人员：王加朋，杨瑜杰，赵运基，吴中华，钱伟，张建军，朱艺锋，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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