【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，涉及一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法。
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、将非线性控制方法应用于无人直升机，是解决无人直升机自动飞行控制对外界干扰和参数摄动等不确定性因素异常敏感等问题的有效手段之一，滑模控制是一种对不确定性具有较强鲁棒性和适应性的非线性控制方法，非常适合无人直升机在大速度前飞或大机动等高不确定性动态场景下的飞行控制。
3、目前，在无人直升机飞行控制领域常见的滑模控制方法有两大类：一种是基于线性滑模面的常规滑模控制，存在控制抖振问题，另一种是基于终端滑模面的各种改进滑模控制方法，主要解决控制的奇异、快速等问题。
4、现有滑模控制存在以下几个问题：
5、1）常规滑模易出现控制抖振。常规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。
6、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
7、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分母为0情况，输出信号无穷大，这是物理不可实现的。
8、4）嵌套双模态滑模控制虽采用嵌套双模态方法将线性滑模面与终端滑模面结合，但形式上仍为终端滑模面，在远离原点时，这种嵌套双模态滑模面收敛速度虽比单纯线性滑模面快，但依然保留了终端滑模面的弊端，存在改进空间。
技术实现思路
1、针对以上缺陷，本专利技术提供了一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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、设计出改进的位置环二阶非奇异快速终端滑模面；
8、s2-2-1、确定二阶非奇异终端滑模面；
9、s2-2-2、基于步骤s2-2-1中的终端滑模面增加一个用于加快远离原点处的收敛速度的高阶指数项，得到二阶非奇异快速终端滑模面；
10、s2-2-3、将步骤s2-2-2中二阶非奇异快速终端滑模面进行防失稳处理；
11、s2-3、结合步骤s2-1和s2-2，设计位置控制律；
12、s2-4、利用lyapunov函数证明步骤s2-3的稳定性；
13、s3、逆向求期望姿态：
14、s3-1、根据步骤s2-3获取期望控制力大小和方向；
15、s3-2、根据步骤s3-1求出姿态期望值；
16、s4、进行姿态控制器设计：
17、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；
18、s4-2、设计出改进的姿态环二阶非奇异快速终端滑模面；
19、s4-2-1、确定二阶非奇异终端滑模面；
20、s4-2-2、基于步骤s4-2-1中的终端滑模面增加一个用于加快远离原点处的收敛速度的高阶指数项，得到二阶非奇异快速终端滑模面；
21、s4-2-3、将步骤s4-2-2中二阶非奇异快速终端滑模面进行防止失稳处理，并确定趋近律；
22、s4-3、结合步骤s4-1和s4-2联立终端吸引子趋近律，设计姿态控制律；
23、s4-4、利用lyapunov函数证明步骤s4-3的稳定性；
24、s5、分配控制量：
25、s5-1、根据步骤s4-3推导出期望控制力矩矢量；
26、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；
27、s6、进行微分估计器设计：
28、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；
29、s6-2、根据步骤s3使用线性微分跟踪器对姿态期望的一阶、二阶导数进行在线估计；
30、s7、基于上述步骤进行仿真验证。
31、进一步地，所述步骤s1中六自由度动力学简化模型为：
32、；
33、上述公式中：
34、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；
35、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；
36、为无人直升机的姿态向量，分别为横滚角、俯仰角和偏航角；
37、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；
38、为无人直升机的控制力矩向量，分别为绕机体轴的三轴力矩分量；
39、为无人直升机的主旋翼升力，为无人直升机的转动惯量矩阵，为无人直升机的质量，为重力加速度，；
40、方向余弦矩阵：；
41、欧拉角变化率到体轴角速率的转换矩阵：；
42、其中，分别代表三角函数；
43、二阶形式为：
44、；
45、上述公式中，和为复合干扰项。
46、进一步地，所述步骤s2中的误差动态形式的位置动力学方程改写为：
47、
48、上述公式中，定义的两个误差为：，，其中为位置期望，并取；
49、改进后的位置环二阶非奇异快速终端滑模面为：
50、；
51、上述公式中，为常规线性滑模面形式，，为正数对角阵，，奇数满足，为新增的高阶指数项；
52、为了避免当时，由于负分数阶的系统状态而产生复数解的滑模面，进而导致滑模面失稳，故将上述滑模面进一步改进为：
53、，
54、其中，为标准的符号函数；
55、趋近律为：
56、，
57、上述公式中，对角阵，奇数满足；
58、位置控制律的设计过程为：
59、p1、对滑模面求一阶导数，化简后最终得到：本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，其特征在于：所述步骤S4中的误差动态形式的姿态动力学方程改写为：
6.如权利要求5所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，其特征在于：所述上述步骤中的滑模面的和的一阶导数和，可通过一阶微分估计器获得对应微分估计值和来代替和；
8.如权利要
...【技术特征摘要】
1.一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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所述的一种提高二阶非奇异终端滑模控制收敛速度的方法，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所述的一种提高二阶非奇异终端滑...
【专利技术属性】
技术研发人员：林成浩，周尧明，丁梦龙，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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