【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人直升机领域，具体而言，涉及一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法。
技术介绍
1、无人直升机是飞行器无人化趋势之一，相较于固定翼无人机，其垂直起降、空中悬停以及前后左右任意方向飞行的能力使其可以完成固定翼飞机无法完成的任务，因而无人直升机的研制从未停滞。但是飞行能力的特殊性必然带来控制的复杂性，其自主飞行控制相对于固定翼飞机难度更大，对外界干扰和参数摄动等不确定性因素十分敏感。因此，需要一种对不确定性具有较强鲁棒性和适应性的控制算法。
2、线性控制方法设计简单、易于工程实现，但是控制器设计过度依赖精确模型，且无法适应无人直升机高度不确定的非线性扰动环境。非线性控制方法中的滑模控制方法在飞行控制领域应用十分广泛，其设计步骤简单、响应速度快，且对外界扰动和模型不确定性具有不变性，非常适合无人直升机快速前飞或大机动时的飞行控制。
3、现有滑模控制存在以下几个问题：
4、1）传统滑模易出现控制抖振。传统一阶滑模控制容易产生高频抖振现象，对执行机构不利，无法在实际中应用，且存在只有当滑模面的阶数为1时才能应用的限制。
5、2）滑模动态性能非全局最优。对于线性滑模面和终端滑模面，系统状态保持在滑模面上动态移动之后，当系统状态远离零点时，线性滑模面的收敛速度比终端滑模面快，而当接近零点时，终端滑模的收敛速度却远高于线性滑模面，系统收敛速度始终未处于最佳状态。
6、3）终端滑模控制存在奇异问题。即当系统处于状态空间的某个特定子空间时，终端滑模控制律可能出现
7、针对以上问题，本专利技术提出一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模控制方法，可以在实现全局快速收敛和提高控制精度的同时解决系统的不确定性问题。此外，它可以解除相对阶为1的限制，减小控制抖振。
技术实现思路
1、针对以上缺陷，本专利技术提供了一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，包括以下步骤：
2、s1、进行动力学建模：
3、s1-1、构建无人直升机的六自由度动力学简化模型；
4、s1-2、根据步骤s1-1中得到的六自由度动力学简化模型改写为二阶形式，确定二阶形式的无人直升机动力学等效模型；
5、s2、进行位置控制器设计：
6、s2-1、定义两个误差，并将步骤s1-2得到的二阶形式的无人直升机动力学等效模型中的位置动力学方程进行改写，得到误差动态形式的位置动力学方程；
7、s2-2、设计出基于嵌套双模态的位置环二阶非奇异终端滑模面；
8、s2-3、结合步骤s2-1和s2-2引入指数趋近律，设计位置控制律；
9、s2-4、利用lyapunov函数证明步骤s2-3的稳定性；
10、s3、逆向求期望姿态：
11、s3-1、根据步骤s2-3获取期望控制力大小和方向；
12、s3-2、根据步骤s3-1求出姿态期望值；
13、s4、进行姿态控制器设计：
14、s4-1、定义两个误差，并将步骤s1-2得到的二阶形式的无人直升机动力学等效模型中的姿态动力学方程进行改写，得到误差动态形式的姿态动力学方程；
15、s4-2、设计出基于嵌套双模态的姿态环二阶非奇异终端滑模面；
16、s4-3、结合步骤s4-1和s4-2引入指数趋近律，设计姿态控制律；
17、s4-4、利用lyapunov函数证明步骤s4-3的稳定性；
18、s5、分配控制量：
19、s5-1、根据步骤s4-3推导出期望控制力矩矢量；
20、s5-2、根据步骤s2和s4得到虚拟控制量经公式换算分配到实际控制量上；
21、s6、进行微分估计器设计：
22、s6-1、根据步骤s2和s4使用一阶微分估计器对滑模面一阶导数进行估计；
23、s6-2、根据步骤s3使用二阶低通滤波器来对姿态期望的一阶、二阶导数进行估计；
24、s7、基于上述步骤进行仿真验证。
25、进一步地，所述步骤s1中六自由度动力学简化模型为：
26、；
27、上述公式中：
28、<mi>p</mi><mi>=[x,y,z</mi><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>为无人直升机的位置向量，分别为地轴坐标系下的三轴坐标；
29、<mi>v</mi><mi>=[</mi><msub><mi>v</mi><mi>x</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>v</mi><mi>y</mi></msub><mi>,</mi><msub><mi>v</mi><mi>z</mi></msub><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>为无人直升机的速度向量，分别为地轴坐标系下的三轴线速度；
30、<mi>θ</mi><mi>=[φ,θ,ψ</mi><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>为无人直升机的姿态向量，分别为横滚角、俯仰角和偏航角；
31、<mi>ω</mi><mi>=[p,q,r</mi><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>为无人直升机的角速度向量，分别为绕机体轴的三轴角速度；
32、<mi>τ</mi><mi>=[</mi><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>τ</mi&g本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S1中六自由度动力学简化模型为：
3.如权利要求2所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S2中的误差动态形式的位置动力学方程改写为：
4.如权利要求3所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S3中期望控制力大小和方向根据：
5.如权利要求4所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S4中误差动态形式的姿态动力学方程改写为：
6.如权利要求5所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S5中的期望控制力矩矢量根据以下公式推导得出：
7.如权利要求6所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：上述步骤中的滑模面的和一阶导数和，可通过一阶微分估计器获得对应微分估计值和来
8.如权利要求7所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S7中的仿真验证包括以下步骤:
...【技术特征摘要】
1.一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤s1中六自由度动力学简化模型为：
3.如权利要求2所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤s2中的误差动态形式的位置动力学方程改写为：
4.如权利要求3所述的一种基于嵌套双模态的二阶非奇异终端滑模飞行控制方法，其特征在于：所述步骤s3中期望控制力大小和方向根据：
5.如权利要求4所述的一种基于嵌套双模态的...
【专利技术属性】
技术研发人员：林成浩，周尧明，徐朝阳，李道春，
申请(专利权)人：天目山实验室，
类型：发明
国别省市：
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