CN110032205B - 一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法，姿态控制过程分为以下几步：（1）建立无人机姿态控制***模型；（2）在无人机上安装一台传感器，用于时时传输无人机在运动过程中的位置；（3）设计有限时间观测器并将传感器时时采集到的位置数据传输到有限时间控制算法模块中，使得无人机姿态实现在有限时间内镇定到由***的平衡点组成的集合。本发明的一种基于有限时间的无人机姿态控制方法，控制速度快、不会产生抖颤现象、节省能量，对硬件设备要求较低，运动鲁棒性高，实用性强，易于商业化。

Description

一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法

技术领域

本发明涉及无人机姿态控制的技术领域，具体涉及一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法。

背景技术

传统的姿态机动方法是利用欧拉角作反馈信号，用喷管或发动机摆角来进行控制。这类推力矢量机构提供的作用力是非线性的，有些还具有开与关的切换特点，类似于继电；器控制作用，因而采用直接的非线性控制方案效果会比较好，并较易于实现。因此，对***参数摄动和外部干扰具有鲁棒性的变结构控制方法受到了极大重视。

目前针对无人机姿态的控制算法大致有三种：(1)自适应控制方法，(2)最优化方法，(3)鲁棒控制方法；但是这些算法计算复杂、计算量大、对***的实时性要求高，这将增加算法实现成本，不利于实际应用。

因此，为解决上述问题，需要提出一种稳定性好、实时性强、成本低，利用实际应用的无人机姿态控制算法。

发明内容

本发明提供一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法，该算法稳定性好、实时性强、成本低、便于实际应用。

本发明通过采取如下技术方案得到：

一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法，包括下列步骤：

(1)、一般无人机姿态控制***由姿态动力学和姿态运动组成；建立无人机姿态控制***模型，模型中包括姿态动力学和姿态运动学，无人机姿态动力学方程可由微分方程公式(1)描述：

公式(1)中，J＝diag(J₁,J₂,J₃)为惯量矩阵，ω＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T为角速度向量，u＝[u₁,u₂,u₃]^T为控制输入信号，d(t)＝[d₁(t),d₂(t),d₃(t)]^T为外部扰动，且存在常数l满足|d_i(t)|≤l,l＞0,i＝1,2,3，s(ω)为斜对称矩阵，即

无人机姿态运动学方程通常为：

公式(2)中

为无人机的四元数，

公式(3)中，I₃为3×3的单位矩阵，q₀＝cos(Φ/2),q_i＝e_i sin(Φ/2),i＝1,2,3.，其中Φ为欧拉转角，e为转轴的单位矢量，e_i,i＝1,2,3.为e在参考坐标系中的三个方向余弦，且有

成立，则

成立；

(2)、在无人机上安装上用于传输位置信息的传感器；为有限时间控制器提供反馈信息，用于时时传输无人机在运动过程中的位置；

结合公式(1)、(2)，无人机姿态控制***的数学模型可以改写为：

公式(4)中

干扰

D(t)＝[D₁(t),D₂(t),D₃(t)]^T＝J^-1[d₁(t),d₂(t),d₃(t)]^T；

(3)、设计有限时间观测器并将传感器时时采集到的位置数据传输到有限时间控制算法模块中，使得无人机姿态实现在有限时间内镇定到由***的平衡点组成的集合；

针对步骤(1)中的公式(1)、(2)，设计有限时间控制器：

公式(5)中，其中k₁、k₂、k₃为常数，且k₃＞0，

1＜p＝p₁/p₂＜2，p₁和p₂为互质的正奇数，则公式(1)、(2)和(5)***关于平衡点集合

M₁＝{(-1,0,0,0,0,0,0),(1,0,0,0,0,0,0)}

为有限时间稳定，即无人机姿态在有限时间内镇定。

本发明相对于现有控制技术具有以下的优点和效果：

本发明提出的具有抗干扰能力的无人机姿态控制算法基于有限时间选择的参数简单、物理含义清晰；运动过程中无人机运动稳定性好，鲁棒性高。

具体实施方式

一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法，包括下列步骤：

(1)、一般无人机姿态控制***由姿态动力学和姿态运动组成；建立无人机姿态控制***模型，模型中包括姿态动力学和姿态运动学；无人机姿态动力学方程可由微分方程公式(1)描述：

公式(1)中，J＝diag(J₁,J₂,J₃)为惯量矩阵，ω＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T为角速度向量，u＝[u₁,u₂,u₃]^T为控制输入信号，d(t)＝[d₁(t),d₂(t),d₃(t)]^T为外部扰动，且且存在常数l满足|d_i(t)|≤l,l＞0,i＝1,2,3，s(ω)为斜对称矩阵，即

无人机姿态运动学方程通常为：

公式(2)中

为无人机的四元数，

公式(3)中，I₃为3×3的单位矩阵，q₀＝cos(Φ/2),q_i＝e_i sin(Φ/2),i＝1,2,3.，其中Φ为欧拉转角，e为转轴的单位矢量，e_i,i＝1,2,3.为e在参考坐标系中的三个方向余弦，且有

成立，则

成立；

(2)、在无人机上安装上用于传输位置信息的传感器；为有限时间控制器提供反馈信息，用于时时传输无人机在运动过程中的位置；

结合公式(1)、(2)，无人机姿态控制***的数学模型可以改写为：

公式(4)中

干扰

D(t)＝[D₁(t),D₂(t),D₃(t)]^T＝J^-1[d₁(t),d₂(t),d₃(t)]^T；

(3)、设计有限时间观测器并将传感器时时采集到的位置数据传输到有限时间控制算法模块中，使得无人机姿态实现在有限时间内镇定到由***的平衡点组成的集合；

针对步骤(1)中的公式(1)、(2)，设计有限时间控制器：

公式(5)中，其中k₁、k₂、k₃为常数，且k₃＞0，

1＜p＝p₁/p₂＜2，p₁和p₂为互质的正奇数，则公式(1)、(2)和(5)***关于平衡点集合

M₁＝{(-1,0,0,0,0,0,0),(1,0,0,0,0,0,0)}

为有限时间稳定，即无人机姿态在有限时间内镇定。

本发明相对于现有控制技术具有以下的优点和效果：

本发明提出的具有抗干扰能力的无人机姿态控制算法基于有限时间选择的参数简单、物理含义清晰；运动过程中无人机运动稳定性好，鲁棒性高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有抗干扰能力的无人机姿态控制方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)、建立无人机姿态控制***模型，模型中包括姿态动力学和姿态运动学；

无人机姿态动力学方程由微分方程公式(1)描述：

公式(1)中，J＝diag(J₁,J₂,J₃)为惯量矩阵，ω＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T为角速度向量，u＝[u₁,u₂,u₃]^T为控制输入信号，d(t)＝[d₁(t),d₂(t),d₃(t)]^T为外部扰动，且存在常数l满足|d_i(t)|≤l,l＞0,i＝1,2,3，s(ω)为斜对称矩阵，即

无人机姿态运动学方程为：

公式(2)中

为无人机的四元数，

公式(3)中，I₃为3×3的单位矩阵，q₀＝cos(Φ/2),q_i＝e_i sin(Φ/2),i＝1,2,3，其中Φ为欧拉转角，e为转轴的单位矢量，e_i,i＝1,2,3为e在参考坐标系中的三个方向余弦，且有

成立，则

成立；

(2)、在无人机上安装上用于传输位置信息的传感器，为有限时间控制器提供反馈信息，用于时时传输无人机在运动过程中的位置；

结合公式(1)、(2)，无人机姿态控制***的数学模型改写为：

公式(4)中

干扰

D(t)＝[D₁(t),D₂(t),D₃(t)]^T＝J^-1[d₁(t),d₂(t),d₃(t)]^T；

(3)、设计有限时间观测器并将传感器时时采集到的位置数据传输到有限时间控制算法模块中，使得无人机姿态实现在有限时间内镇定到由***的平衡点组成的集合；

针对步骤(1)中的公式(1)、(2)，设计有限时间控制器：

公式(5)中，其中k₁、k₂、k₃为常数，且k₃＞0，

1＜p＝p₁/p₂＜2，p₁和p₂为互质的正奇数，则公式(1)、(2)和(5)***关于平衡点集合

M₁＝{(-1,0,0,0,0,0,0),(1,0,0,0,0,0,0)}

为有限时间稳定，即无人机姿态在有限时间内镇定。