CN112327897B - 一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法，针对四旋翼无人机的姿态动力学系统，利用自适应控制方法消除输入死区对系统的影响，设计了一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法。通过构造李雅普诺夫函数，设计姿态控制器，避免过大的超调，减少到达时间。并且自适应方法可以处理系统的输入死区，使控制信号及时对被控量做出相应的控制,从而改善四旋翼飞行器系统的动态响应性能。本发明的四旋翼无人机姿态控制方法可以使姿态控制信号及时对姿态角做出相应的控制,从而改善四旋翼无人机姿态系统的控制。

Description

一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法

技术领域

本发明涉及无人机控制领域，具体为一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是指不乘载人员可以自主或者远程领航的无人机，与载人无人机相比具有飞行成本小、搜索范围广和灵活性强等优点。近年来，四旋翼无人机是无人机研究中最为火热的研究对象。四旋翼无人机是一种布局简单的无人机，体积较为紧凑。四旋翼无人机由于能够垂直起降、自由悬停、目标小、不易被发现、可适应于各种速度及各种航路的飞行状况，因此广泛应用于侦察、测量、灾害监测、农业植物保护等领域。在实际系统中，输入死区广泛存在于执行机构，具有非线性特性。输入死区非线性会降低系统的稳定性，严重影响系统的性能。

发明内容

本发明的目的具体为一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

针对四旋翼无人机的姿态动力学系统，基于反步法设计控制器，通过设计自适应律补偿输入死区的影响，设计了一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法。

针对姿态动力学系统，在反步控制框架下，设计期望性能反步控制器。在反推设计过程中使用自适应方法消除输入死区对系统的影响，通过构造李雅普诺夫函数，设计自适应控制器，使四旋翼无人机系统能够按期望的姿态实现稳定的飞行。

与现有技术相比，本发明的优点是：降低超调量，减少到达时间，改善瞬态动能。

附图说明

图1为本发明的控制流程示意图；

图2为本发明的姿态跟踪效果；

图3为本发明的姿态控制器的输入；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

参照图1—图3，一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法，包括以下步骤:

步骤1，建立四旋翼无人机系统的动态模型，设定系统的初始值、采样时间以及相关控制参数，过程如下:

对四旋翼无人机进行姿态动力学建模，姿态动力学模型如下:

其中φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，

J_x，J_y，J_z分别为四旋翼无人机在机体坐标系下三轴的转动惯量，且都为常量；τ₁，τ₂，τ₃分别表示作用在四个旋翼上的控制力矩，d₁，d₂，d₃为四旋翼受到的扰动。

步骤2，设计系统的输入死区模型，过程如下:

其中i＝1,2,3，u_i为死区模型的输入信号，p_i是死区模型的拐点，k_i和p_i为未知的正常数。

将死区模型做如下变换：

τ_i＝G_i(u_i)＝k_iu_i+δ_i(u_i) (3)

其中

四旋翼无人机的姿态动力学模型可进一步写为：

其中x₁＝φ，

x₃＝θ，

x₅＝ψ，

步骤3，在每一个采样时刻，计算姿态误差变量及其一阶导数；设计姿态控制器，过程如下：

3.1定义跟踪误差z₁，z₂，z₃及其一阶导数：

其中φ_d表示期望滚转角度，θ_d表示期望俯仰角度，ψ_d表示期望偏航角度。

3.2设计李雅普诺夫函数V₁，V₃，V₅和虚拟控制律α₁，α₂，α₃：

其中q₁，q₃和q₅为正常数。

将(6),(7),(8)分别代入(9),(10),(11)：

其中z₂＝x₂-α₁，z₄＝x₄-α₂，z₆＝x₆-α₃。

3.3设计李雅普诺夫函数V₂，V₄，V₆：

其中

为h₁，h₂，h₃的估计；

为δ₁，δ₂，δ₃的估计；

为d₁，d₂，d₃的估计；η₁，η₂，η₃，γ₁，γ₂，γ₃，ξ₁，ξ₂，ξ₃为正常数。

将(12)，(13)，(14)代入(15)，(16)，(17)：

3.4设计控制器u₁，u₂，u₃和自适应律:

其中q₂，q₄，q₆为正常数。

步骤4，验证四旋翼飞行器系统的稳定性：

基于李雅普诺夫函数

根据(6)-(22)，得：

可知四旋翼无人机系统是稳定的。

为了验证所提方法的可行性，本发明给出了该控制方法在MATLAB平台上的仿真结果：

参数给定如下：φ_d＝5，θ_d＝3，ψ_d＝3，k₁＝k₂＝k₃＝3，p₁＝p₂＝p₃＝2，d₁＝d₂＝d₃＝3，q₁＝q₂＝q₃＝q₄＝q₅＝q₆＝1，J_x＝J_y＝0.0196kg·m²，J_z＝0.03kg·m²，η₁＝η₂＝η₃＝1，γ₁＝γ₂＝γ₃＝ξ₁＝ξ₂＝ξ₃＝2，初始状态的姿态角都是0。

综上所述，一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法能有效地改善四旋翼飞行器系统的瞬态性能。

Claims (1)

1.一种具有输入死区的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)建立四旋翼无人机系统的动态模型，设定系统的初始值、采样时间以及相关控制参数，过程如下:

对四旋翼无人机进行姿态动力学建模，姿态动力学模型如下:

其中φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，

J_x，J_y，J_z分别为四旋翼无人机在机体坐标系下三轴的转动惯量，且都为常量；τ₁，τ₂，τ₃分别表示作用在四个旋翼上的控制力矩，d₁，d₂，d₃为四旋翼受到的扰动；

步骤(2)设计系统的输入死区模型，过程如下：

其中i＝1,2,3，u_i为死区模型的输入信号，p_i是死区模型的拐点，k_i和p_i为未知的正常数；

将死区模型做如下变换：

τ_i＝G_i(u_i)＝k_iu_i+δ_i(u_i) (3)

其中

四旋翼无人机的姿态动力学模型可进一步写为：

其中x₁＝φ，

x₃＝θ，

x₅＝ψ，

步骤(3)在每一个采样时刻，计算姿态误差变量及其一阶导数；设计姿态控制器；

步骤(4)验证四旋翼飞行器系统的稳定性；

步骤(3)具体包括：

3.1定义跟踪误差z₁，z₂，z₃及其一阶导数：

其中φ_d表示期望滚转角度，θ_d表示期望俯仰角度，ψ_d表示期望偏航角度；

3.2设计李雅普诺夫函数V₁，V₃，V₅和虚拟控制律α₁，α₂，α₃：

其中q₁，q₃和q₅为正常数；

将(6)，(7)，(8)分别代入(9)，(10)，(11)：

其中z₂＝x₂-α₁，z₄＝x₄-α₂，z₆＝x₆-α₃；

3.3设计李雅普诺夫函数V₂，V₄，V₆：

其中

为h₁，h₂，h₃的估计；

为δ₁，δ₂，δ₃的估计；

为d₁，d₂，d₃的估计；η₁，η₂，η₃，γ₁，γ₂，γ₃，ξ₁，ξ₂，ξ₃为正常数；

将(12)，(13)，(14)代入(15)，(16)，(17)：

3.4设计控制器u₁，u₂，u₃和自适应律；

步骤3.4具体包括：

其中q₂，q₄，q₆为正常数；

步骤(4)具体包括：

基于李雅普诺夫函数

根据(6)-(22)，得：

可知四旋翼无人机系统是稳定的。

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