受扰四旋翼无人机姿态与高度系统的非线性鲁棒控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115840367A(43)申请公布日2023.03.24(21)申请号202211650022.3(22)申请日2022.12.21(71)申请人南通大学地址226019江苏省南通市崇川区啬园路9号(72)发明人黄宇煦秦秋月顾豪杰茅靖峰郑军强余修勇(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200专利代理师王毅(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书4页说明书8页附图2页(54)发明名称受扰四旋翼无人机姿态与高度系统的非线性鲁棒控制方法(57)摘要本发明属于无人机控制技术领域，具体为受扰四旋翼无人机姿态与高度系统的非线性鲁棒控制方法。本发明方法首先在确定合适的地球固联坐标系和机体坐标系为前提条件下，构建四旋翼无人机的空气动力学方程，同时引入的干扰量即滚转扰动量、俯仰扰动量、偏航扰动量和高度扰动量；接着，确定好状态收敛函数后，根据受扰情况下四旋翼无人机的非线性动力学方程确定非线性鲁棒控制系统的输入量；然后，将由基于神经网络的自适应法则、扰动观测器和非线性鲁棒控制方法结合构成姿态与高度系统非线性鲁棒控制器；最后使用Lyapunov稳定性理论对构建的实时姿态与高度系统非线性鲁棒控制系统进行稳定性判定。CN115840367ACN115840367A权利要求书1/4页1.受扰四旋翼无人机姿态与高度系统的非线性鲁棒控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：确定合适的地球固联坐标系和机体坐标系，并基于牛顿‑欧拉方程，考虑四旋翼无人机在扰动情况下的运动状态，引入滚转扰动量δφ、俯仰扰动量δθ、偏航扰动量和高度扰动量δz，建立考虑存在扰动和不确定性情况时四旋翼无人机的非线性动力学方程，并设定扰动量的范围；S2：基于步骤S1所建立的四旋翼无人机的非线性动力学方程，建立以在扰动情况下系统状态向量Ui(i＝1,2,3,4)为输入的四旋翼无人机姿态和高度的非线性鲁棒控制系统，以保证四旋翼无人机系统在受扰情况下的鲁棒性；S3：基于步骤S2所建立的四旋翼无人机姿态和高度的非线性鲁棒控制系统，结合扰动观测器和反向传播算法，定义能够实时在线更新状态收敛函数的自适应规则，以进一步增强四旋翼无人机控制系统在受复杂环境中不确定性因素影响时的鲁棒性，且能够提高控制系统的抗扰性能；S4：基于步骤S3所建立的四旋翼无人机控制系统，采用Lyapunov稳定性理论得出受扰四旋翼无人机姿态和高度系统非线性鲁棒控制系统的稳定性。2.根据权利要求1所述的受扰四旋翼无人机姿态与高度系统的非线性鲁棒控制方法，其特征在于：所述步骤S1包含以下步骤：选取O‑XYZ为地球，G‑XYZ为固定在移动平台上的坐标系，G为四旋翼无人机的质心，定义如下考虑存在扰动和不确定性情况时四旋翼无人机的非线性动力学方程：和式(1)中，φ表示为四旋翼无人机的滚转角，θ表示为四旋翼无人机的俯仰角，ψ表示为四旋翼无人机的偏航角，x,y,z表示为四旋翼无人机在地球固联坐标系和机体坐标系中的2CN115840367A权利要求书2/4页坐标；δφ表示为滚转扰动量，δθ表示为俯仰扰动量，表示为偏航扰动量，δz表示为高度扰动量；I表示为四旋翼无人机的转动惯量；为四旋翼无人的状态向量，式中φ,θ,ψ,x,y,z分别表示为四旋翼无人机的滚转角、俯仰角、偏航角以及在地球固联坐标系和机体坐标系中的坐标；U＝[U1,U2,U3,U4]为控制输入向量；设置扰动量的范围，以获得更加切合实际的受扰情况下的四旋翼无人机动力学模型；式(2)表示为扰动量的范围：3.根据权利要求2所述的受扰四旋翼无人机姿态与高度系统的非线性鲁棒控制方法，其特征在于：所述步骤S2包含以下步骤：基于步骤S1构建针对四旋翼无人机姿态和高度的非线性鲁棒控制系统的状态收敛函数，其中状态收敛函数公式和其一阶导数公式具体分别表示为：式(3)中wi为正常数，其中i＝1,2,3,4分别对应着四旋翼无人机滚转角φ、俯仰角θ、偏航角ψ和高度z的系统的状态收敛函数；基于步骤S1构建针对四旋翼无人机姿态和高度的非线性鲁棒控制系统，并得出控制系统的控制律，即被控系统的控制输入量；其中，四旋翼无人机姿态非线性鲁棒控制系统包括：四旋翼无人机滚转角控制系统、四旋翼无人机俯仰角控制系统和四旋翼无人机偏航角控制系统；四旋翼无人机滚转角控制系统：四旋翼无人机俯仰角控制系统：四旋翼无人机偏航角控制系统：四旋翼无人机高度非线性鲁棒控制系统：4.根据权利要求3所述的受扰四旋翼无人机姿态和高度系统的非线性鲁棒控制方法，其特征在于：所述步骤S3包含以下步骤：根据步骤S2所建立的四旋翼无人机姿态和高度的非线性鲁棒控制系统，结合扰动观测器，以进一步增强四旋翼无人机控制系统在受复杂环境中不确定性因素影响时的鲁棒性；其中