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专利号: 2018110789784
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种考虑四旋翼飞行器执行器故障的积分反步滑模姿态控制方法,其特征在于:所述控制方法包括以下步骤:步骤1,建立四旋翼飞行器系统的姿态动力学模型,初始化系统状态、采样时间以及控制参数,过程如下:

1.1在考虑四旋翼飞行器执行器故障的情况下,基于欧拉公式,从受力角度分析四旋翼飞行器,其姿态运动学表达式及其转动过程的动态模型表达式为:其中,η表示姿态角矩阵,表示η的一阶导数,J表示四旋翼飞行器转动惯量矩阵,Ω表示四旋翼飞行器姿态角速度矩阵, 表示Ω的一阶导数,×表示矩阵的叉乘,D表示四旋翼飞行器执行器效率矩阵,u表示四旋翼飞行器控制器输入矩阵;

将式(1)代入式(2):其中,表示η的二阶导数;

展开式(3):

其中,Jx、Jy、Jz分别为机体坐标系下,x、y、z轴转动惯量的分量,φ、θ、ψ分别表示翻滚角、俯仰角和偏航角, 分别表示翻滚角、俯仰角以及偏航角的一阶导数,分别表示翻滚角、俯仰角以及偏航角的二阶导数,ux、uy、uz分别表示四旋翼飞行器x、y、z轴的控制器输入,δ1、δ2、δ3分别表示四旋翼飞行器x、y、z轴执行器的工作效率,当δi=1时,执行器无故障,当0<δi<1时,执行器部分发生故障,但仍能继续工作,其中,i=1,2,3;

步骤2,计算四旋翼飞行器姿态角的误差,设计滑模面使姿态角收敛,过程如下:

2.1定义姿态角跟踪误差e:e=ηd‑η             (5)T

其中,ηd=[φd,θd,ψd]表示期望姿态角,φd、θd、ψd分别表示期望翻滚角、期望俯仰角和期望偏航角;

定义滑模面s:

s=e+KI∫edt            (6)

3×3

其中,KI∈R 为正定对角积分系数矩阵;

式(6)的一阶导数为:

2.2设计李雅普诺夫函数V1为:式(8)的一阶导数为:其中, 表示ηd的一阶导数,虚拟控制律α1的表达式为:

3×3

其中,k11∈R 为正定对角矩阵;

式(10)的一阶导数为:令h的表达式为:

式(12)的一阶导数为:将式(12)代入式(9):将式(10)代入式(12):将式(15)移项:

将式(10)代入式(14):步骤3,基于四旋翼飞行器姿态动力学模型,根据已设计的滑模面,在考虑四旋翼飞行器执行器故障的情况下,设计积分反步滑模姿态控制器,过程如下:

3.1考虑式(3),积分反步滑模姿态控制器u被设计为:

3×3

其中, 表示ηd的二阶导数,k22∈R 为正定对角矩阵,ε为一个正实数;

为减少抖振引入饱和函数sat(h),其定义为:其中,||h||表示h的范数,Δ为一个正实数;

由式(19)得:

则式(20)是正定的;

3.2设计李雅普诺夫函数V2为:式(21)的一阶导数为:将式(17)代入式(22):将式(13)代入式(23):将式(11)代入式(24):将式(16)代入式(25):将式(3)代入式(26):将式(18)、式(19)代入式(27):因此,s、h能够收敛到零;

由于s能够收敛到零,考虑式(6),可知姿态角跟踪误差e能够收敛到零,表明系统是稳定的。