【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人机控制，特别涉及一种含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法及系统。
技术介绍
1、四旋翼无人机的控制具有极大的挑战性，是因为四旋翼无人机属于4控6的欠驱动系统，这种系统具有拓扑障碍，即，连续反馈不能全局镇定具有转动自由度的机械系统的姿态。因此人们针对四旋翼无人机提出了基于不同姿态描述的多种控制技术，主要包括基于欧拉角，旋转矩阵和四元数的姿态控制器的设计。
2、基于欧拉角的姿态描述具有最小维数3，易于测量的欧拉角设计和直观的物理意义，被广泛用于工业机器人、飞行器、车辆、船舶等具有旋转关节的设备的系统建模与控制中。但是，基于欧拉角描述的最大缺点是在特定位置有锁死问题，其表现为陀螺仪的万向节卡住，不能在无限小的时间内移动有限量，这使得基于欧拉角设计的控制器做不到全局控制。
3、旋转矩阵是无奇点的姿态描述形式。尽管基于旋转矩阵的控制器能够克服锁死问题，但是旋转矩阵是3*3维的，这导致控制器具有计算冗余问题，存储成本高，在大型的计算模拟中很少被采用。另一方面，旋转矩阵属于特殊的三阶正交群，其对任何欧几里得空间都是不可压缩的，因此基于旋转矩阵的连续反馈控制器也做不到全局控制。
4、基于四元数模型的连续控制器尽管能克服锁死和计算冗余问题，但是又会出现解卷现象，即基于四元数的控制器会导致无人机进行不必要的完整旋转。为克服解卷问题，现有的技术不得不引入具有迟滞的混杂控制，因此基于四元数的控制器难于实现，且不具有良好的鲁棒性。
技术实现思路
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、第一方面，本专利技术提供了一种含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，包括：
4、获取四旋翼无人机的质心坐标历史数据集、偏航角历史数据集、俯仰角历史数据集、滚转角历史数据集、沿坐标方向的线速度历史数据集和对应转向角的角速度历史数据集；
5、实时获取四旋翼无人机质心坐标、偏航角、俯仰角、滚转角、沿坐标方向的线速度和对应转向角的角速度；
6、对所述四旋翼无人机的质心坐标历史数据集、偏航角历史数据集、俯仰角历史数据集、滚转角历史数据集、沿坐标方向的线速度历史数据集和对应转向角的角速度历史数据集进行运动学计算、四个螺旋桨力学计算和机体力学计算，并计算姿态四元数，得到基于四元数的四旋翼无人机的动力学模型；
7、设计期望的全驱力控制，并根据期望的全驱力控制，计算体坐标系的主推力方向与惯性坐标系的期望推力方向，构造相对四元数；
8、基于所述相对四元数构建光滑姿态规划器；
9、基于所述光滑姿态规划器确定姿态误差四元数和角速度误差四元数；
10、基于所述姿态误差四元数和角速度误差四元数利用rodrigues参数计算四旋翼无人机的姿态误差；
11、基于所述无人机的姿态误差确定位置控制外环设计结果和姿态控制内环设计结果；
12、根据所述位置控制外环设计结果和姿态控制内环设计结果，构建含姿态规划器的四旋翼无人机的位置和姿态控制模型；
13、将实时获取的四旋翼无人机质心坐标、偏航角、俯仰角、滚转角、沿坐标方向的线速度和对应转向角的角速度输入至所述含姿态规划器的四旋翼无人机的位置和姿态控制模型，得到含姿态规划的四旋翼无人机的跟踪控制结果。
14、可选的，所述基于四元数的四旋翼无人机的动力学模型的表达式如下：
15、
16、
17、
18、
19、其中，r＝(x,y,z)t和v分别表示四旋翼无人机的位置和速度，q＝(q1,q2,q3,q4)＝(η,εt)表示由欧拉角计算得到的姿态单位四元数，其中和为四元数的标量和矢量分量部分，表示全体实数集，表示质量，g表示重力加速度，和表示计算四个螺旋桨得到的提升力和扭矩矢量，e3＝(0,0,0)t为zb轴上的单位向量，为体惯性矩阵，表示旋转角速度，为角速度四元数，dp和da分别表示平动系统和转动系统受到的不确定干扰，如阻力效应和风湍流，为r的一阶导数，为v的一阶导数，为q的一阶导数，为ω的一阶导数，q-1为q的逆。
20、可选的，所述期望的全驱力控制的表达式如下：
21、
22、其中，μd表示期望的全驱动力控制，表示质量，表示全体实数集，g表示重力加速度，e3表示zb轴上的单位向量，是r*的二阶导数，r*表示参考轨迹，c2,d1及c1均表示正的设计参数，re表示轨迹跟踪误差，ve表示平均速度误差。
23、可选的，基于所述相对四元数构建光滑姿态规划器具体包括以下步骤：
24、基于所述期望的全驱动力控制经四元数开方，结合偏航角四元数qψ*进行期望姿态运算得到期望姿态四元数qd；
25、实时姿态四元数q与所述期望姿态四元数qd经姿态误差运算，得到姿态误差四元数qe和rodrigues参数姿态误差ρe；
26、所述期望姿态四元数qd经期望姿态求导运算，结合所述姿态误差四元数qe和实时旋转角速度ω进行角速度误差计算，得到旋转角速度误差ωe和期望旋转角速度ωd的变换数据ωp；
27、姿态四元数q经旋转矩阵计算得到旋转矩阵r。
28、可选的，所述姿态控制内环设计结果的表达式如下：
29、
30、其中，c4表示正的设计参数，ωz表示表示角速度误差，j表示体惯性矩阵，表示角速度镇定函数的一阶导数，表示基于四元数描述的期望角速度的一阶导数，ω表示角速度，φt表示基于rodrigues参数的旋转矩阵，ρe表示基于rodrigues参数的姿态误差。
31、第二方面，基于本专利技术中的上述方法，本专利技术另外提供一种含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制系统，包括：
32、第一数据集获取模块，用于获取四旋翼无人机的质心坐标历史数据集、偏航角历史数据集、俯仰角历史数据集、滚转角历史数据集、沿坐标方向的线速度历史数据集和对应转向角的角速度历史数据集；
33、第二数据集获取模块，用于实时获取四旋翼无人机质心坐标、偏航角、俯仰角、滚转角、沿坐标方向的线速度和对应转向角的角速度；
34、基于四元数的四旋翼无人机的动力学模型构建模块，用于对所述四旋翼无人机的质心坐标历史数据集、偏航角历史数据集、俯仰角历史数据集、滚转角历史数据集、沿坐标方向的线速度历史数据集和对应转向角的角速度历史数据集进行运动学计算、四个螺旋桨力学计算和机体力学计算，并计算姿态四元数，得到基于四元数的四旋翼无人机的动力学模型；
35、相对四元数构造模块，用于设计期望的全驱力本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于四元数的四旋翼无人机的动力学模型的表达式如下：
3.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述期望的全驱力控制的表达式如下：
4.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，基于所述相对四元数构建光滑姿态规划器具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述姿态控制内环设计结果的表达式如下：
6.一种含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制系统，其特征在于，
8.根据权利要求6所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制系统，其特征在于，
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法。
...【技术特征摘要】
1.一种含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于四元数的四旋翼无人机的动力学模型的表达式如下：
3.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述期望的全驱力控制的表达式如下：
4.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，基于所述相对四元数构建光滑姿态规划器具体包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的含姿态规划器的四旋翼无人机的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述姿态控制内环设计结果的表达式如下：
6.一种...
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