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申请/专利权人：河南科技大学

摘要：本发明涉及航空航天技术领域，且公开了一种基于预设性能的四旋翼无人机鲁棒受限控制策略，包括以下步骤：步骤一：同时考虑时变姿态角与高度约束以及未知外部干扰，构建四旋翼无人机姿态与高度非线性系统模型；步骤二：利用实时姿态角与高度约束信息和预设期望跟踪信号，设计边界保护算法与预设性能函数耦合，并得到新的安全期望跟踪信号；步骤三：基于步骤一构建的系统模型，及步骤二得到的安全期望跟踪信号，结合反步法与参数自适应方法，设计基于预设性能的安全跟踪控制器。本发明采用参数自适应方法对其上界进行逼近，基于反步法构建预设性能安全跟踪控制器，实现四旋翼无人机系统安全飞行意图，实现无约束误差系统的构建，提高系统的瞬态与稳态性能。

主权项：1.一种基于预设性能的四旋翼无人机鲁棒受限控制策略，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：考虑时变姿态角与高度约束与未知外部干扰，构建四旋翼无人机姿态与高度非线性系统模型；所述步骤一建立四旋翼无人机姿态与高度非线性系统模型及约束描述如下：a.四旋翼无人机姿态与高度非线性模型考虑时变姿态角与高度约束以及未知外部干扰，结合四旋翼无人机空气动力学与运动学，姿态与高度非线性模型描述为： 其中，φ为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，Z为垂直高度；p为滚转角速度，q为俯仰角速度，r为偏航角速度，v为垂直方向上的速度；Jxx，Jyy及Jzz为四旋翼无人机的转动惯量分量；Σ1，Σ2及Σ3分别表示四旋翼无人机在X轴，Y轴，Z轴三个方向的总控制力矩，Tmr为主旋翼拉力；dx，dy，dz及dT为四旋翼无人机受到的未知外部干扰；m0为四旋翼无人机的质量，g为重力加速度；b.非线性模型简化为方便控制器的设计，首先定义Ω＝[p,q,r]T，J＝diag{Jxx,Jyy,Jzz}为惯性矩阵，以及姿态旋转矩阵为 则可将系统1重新表述为如下二阶系统： 其中，x1＝[φ,θ,ψ,Z]T，x2＝[p,q,r,v]T为系统状态量；d＝[dxJxx,dyJyy,dzJzz,dTm0]T＝[d1,d2,d3,d4]T为未知外部干扰；y为四旋翼无人机姿态与高度系统的输出；u＝[u1,u2,u3,uT]T为饱和作用下的控制输入；f1,f2,g1与g2可表示为f1＝0； c.姿态与高度约束和外部干扰描述考虑到四旋翼无人机在实际飞行中会有最小转弯半径、最大爬升率以及实时外部环境等限制，四旋翼无人机常常受到实时高度约束与姿态角约束；定义系统的实时上界值与下界值为yupt＝[φupt,θupt,ψupt,Zupt]T与ylowt＝[φlowt,θlowt,ψlowt,Zlowt]T，其满足 由于约束的实时性，预设的期望跟踪信号ydt＝[φdt,θdt,ψdt,Zdt]T就有可能会超出边界值；此时，四旋翼无人机控制将优先考虑其安全问题；步骤二：利用实时姿态角与高度约束信息和预设期望跟踪信号，设计边界保护算法与预设性能函数耦合，并得到新的安全期望跟踪信号；所述步骤二构建新的安全期望跟踪信号过程如下：a.不失一般性地，以滚转角φ为例，采用边界保护算法，通过定义实时裕量δφt及其下界值Mφ0，设计以下严格在输出约束φlowt,φupt内的受限信号： 其中，k＝0,1,2；同理，针对于另外三个输出：滚转角θ，偏航角ψ和垂直高度Z，均可生成对应的实时边界裕量Δθt,Δψt,ΔZt与受限期望跟踪信号θct,ψct,Zct；b.为对上述受限期望跟踪信号进行平滑处理，以yc为输入，设计了如下形式的指令滤波器： 其中，滤波器输出yc即为满足四旋翼无人机安全要求的安全期望跟踪信号；c.考虑上述边界保护算法中安全裕量下界值Mφ，定义四旋翼无人机滚转角误差的预设性能函数形式为 类似地，可以得到其余无约束误差βθt，βψt及βZt；通过定义无约束误差向量β＝[βφ,βθ,βψ,βZ]T；d.综合边界保护算法与预设性能函数耦合，将输出约束下的四旋翼无人机安全跟踪控制问题转化为了如下形式系统的跟踪控制问题： 步骤三：基于步骤一所构建系统模型，以及步骤二得到的安全期望跟踪信号，结合反步法与参数自适应方法，设计基于预设性能的安全跟踪控制器；所述步骤三包括如下步骤：a.设计虚拟控制律x2d为 其中，K1为正定矩阵；为了求得虚拟控制律x2d的可用导数，令x2d通过以下形式的一阶滤波器： b.针对未知干扰d设计如下自适应律： 其中，μ0为常数；设计控制向量为 其中，为正定对称矩阵；根据以上步骤，能够使得四旋翼无人机在考虑时变姿态角与高度约束以及未知外部干扰的影响下，能够在保证系统安全性与稳定性的基础上，完成对预设期望信号的跟踪。

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百度查询： 河南科技大学 一种基于预设性能的四旋翼无人机鲁棒受限控制策略