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变负载四旋翼无人机的有限时间控制方法

成果类型：: 发明专利

发布时间: 2023-03-29 15:29:13

科技成果产业化落地方案
方案提交机构：成果发布人| 涂媛 | 2023-03-29 15:29:13
成果简介 技术亮点 应用前景 团队概括 产生的效益 转化方式

本发明涉及一种变负载四旋翼无人机的有限时间控制方法，针对变负载的四旋翼无人机模型，位置环基于自适应控制算法对负载变化参数实时在线估计，设计自适应反推控制器。姿态环通过扰动观测器对干扰进行在线估计，进一步改进滑模面并引入了新的有限时间稳定判据，设计有限时间滑模控制器。使系统的收敛速度更快，抗干扰能力更强，稳态和暂态性能更好，且更切合实际应用。

一种变负载四旋翼无人机的有限时间控制方法，其特征在于其包括如下步骤：根据动力学、物理学、欧拉角描述分别建立四旋翼无人机的位置子系统和姿态子系统T的数学模型；用矢量(φ,θ,ψ) 描述四旋翼无人机的姿态信息，姿态子系统的数学模型表示为状态方程的形式为：其中状态变量 Ixx,Iyy,Izz分别表示各坐标轴的转动惯量，对称的正定矩阵Jp＝diag(Ixx,Iyy,Izz)，L为旋翼中心到机体中心的距离，Ωr＝Ω1‑Ω2+Ω3‑Ω4为无人机四个旋翼的转动速度的矢量和， 表示各个方向上的扰动，u2为横滚运动的控制输入，u3为俯仰运动的控制输入，u4为偏航运动的控制输入；位置子系统控制器设计，位置环基于自适应控制算法对负载变化参数实时在线估计，设计自适应反推控制器；反解器设计；扰动观测器设计；姿态子系统控制器设计，姿态环通过扰动观测器对干扰进行在线估计，改进滑模面并引T入有限时间稳定判据，设计有限时间滑模控制器。

针对四旋翼无人机这类非线性控制系统，大部分已有控制方法,只能得到渐近稳定的结果,即只有当时间趋于无穷大时,系统的状态才能收敛到平衡点。随着控制水平的发展，渐近稳定的结果已经不能满足实际应用的需求，研究人员希望控制目标尽快实现，有限时间控制就随之产生了。目前，对于不同的非线性控制系统，有限时间控制方法主要有以下几类：连续有限时间控制、不连续有限时间控制、光滑有限时间控制等，均取得了一定的研究成果。由于有限时间稳定对收敛时间做出了限定，因此相对于渐近稳定，有限时间稳定在实际应用中更具实际意义。

 近年来，有限时间控制在各类实际应用中都取得了较好的控制效果，如车辆控制系统、船舶控制系统等。随着科技的发展，有限时间控制被逐渐的应用到了航空业、军事、工业等各个领域，对于控制系统的稳定性和鲁棒性等要求也越来越高。

河北科技大学，坐落于河北省石家庄市，学校为教育部第二批卓越工程师教育培养计划高校，入选国家级大学生创新创业训练计划、全国高校实践育人创新创业基地、全国深化创新创业教育改革示范高校、教育部首批新工科研究与实践项目（卓越工程师教育培养计划2.0），国家国防科技工业局与河北省人民政府共建的省部共建大学。

本发明针对所建立的四旋翼无人机数学模型，设计扰动观测器对外界干扰进行在线估计，基于滑模控制思想和反步递推设计，结合自适应估计技术，设计控制器对系统的稳定性和抗扰能力进行优化。设计合适的滑模面，提高系统的收敛速度，同时避免奇异性问题。引入适当的饱和函数来控制器的高频抖振。构造合适的Lyapunov函数，确保系统在所设计的控制器下的稳定性，并引入有限时间稳定性判据，使系统能够在有限时间T完成轨迹跟踪和误差收敛。

技术转让，许可，合作所需资金需双方协商，此项技术想尽快落地保定，希望具备此项技术研发的技术方，能够尽快承接此项目。