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专利号: 2018110839459
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:

1.一种基于积分反步滑模的四旋翼飞行器姿态控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,不考虑外部干扰的情况下,建立四旋翼飞行器系统的姿态动力学模型,设定系统的初始值、采样时间以及控制参数,过程如下:

1.1四旋翼飞行器系统的姿态动力学模型如下:其中,η=[φ;θ;ψ]代表姿态角矩阵,φ、θ、ψ分别是翻滚角、俯仰角和偏航角,代表姿态角矩阵η的一阶求导矩阵, 分别代表翻滚角、俯仰角和偏航角的一阶导数, 代表转动惯量矩阵,Jx、Jy、Jz分别代表机体坐标系下x、y、z各轴转动惯量分量, 和 分别是四旋翼飞行器姿态角加速度和角速度矩阵,×是矩阵叉乘运算符,u=[u1;u2;u3]是控制器输入矩阵,u1、u2、u3分别代表机体坐标系下x、y、z各轴控制器输入;

步骤2,计算系统姿态角跟踪误差,设计滑模面s1,过程如下:

2.1定义系统姿态角跟踪误差为:e1=ηd‑η       (3)其中,e1=[eφ;eθ;eψ]代表姿态角跟踪误差,eφ、eθ、eψ分别代表翻滚角、俯仰角和偏航角跟踪误差,ηd=[φd;θd;ψd]代表姿态角期望值矩阵,φd、θd、ψd分别代表翻滚角、俯仰角和偏航角的期望值;

对式(3)一阶求导:

其中, 代表姿态角期望值的一阶导数矩阵, 分别代表翻滚角、俯仰角和偏航角期望值的一阶导数;

2.2设计滑模面s1:s1=e1+k1∫e1dt          (5)其中,k1为正定对角积分系数矩阵;

对式(5)一阶求导:

将式(3)、(4)代入式(6):

2.3设计李雅普诺夫函数V1:对式(8)一阶求导:

将式(7)代入式(9):其中,α1为虚拟控制输入,其表达式为:其中,Q1为正定对角矩阵;

令 代入式(10):

将式(11)代入式(12):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,设计积分反步滑模姿态控制器,过程如下:

3.1考虑式(2),设计反步滑模姿态控制器u:其中,ε1是一个正实数,Q2是一个对称正定矩阵,定义饱和函数sat(e2):其中,||e2||表示e2的范数,δ表示一个正实数;

将 左乘式(15):

由式(16)可知,

3.2设计李雅普诺夫函数V2:对式(17)一阶求导:将式(13)代入式(18):将式(11)代入

由式(7)、式(20)得:对式(20)一阶求导:其中, 代表姿态角期望值的二阶导数矩阵, 代表姿态角二阶导数矩阵;

将式(1)代入式(2):由式(23)得:

将式(24)代入式(22):将式(21)移项:

将式(26)代入式(25):将式(27)代入式(19):将式(14)代入式(28):因此,s1、e2能够收敛到零;

因为s1能够收敛到零,据式(5)可知,系统姿态跟踪误差e1能收敛至零,系统是稳定的。