CN116795124A - 一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及四旋翼无人机控制技术领域，具体是一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法，首先针对复杂环境下的四旋翼无人机，通过选取适当的坐标系，建立带有未知空气阻尼系数的非线性***动力学模型。然后利用自适应反步法设计连续自适应控制律，实现未知参数估计以及无人机滚转角、俯仰角、偏航角对参考信号的跟踪控制。在此基础上引入动态事件触发机制，设计事件触发控制器。本文方案能解决传统周期采样所导致的数据频繁采集问题，使得控制器仅在需要时进行更新，从而降低能源损耗。
Description
技术领域
本发明涉及无人机控制领域，具体为一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法。
背景技术
四旋翼无人机从***结构分析是一种复杂的、较强耦合性的、欠驱动的非线性***，但其机动能力较好，能在多种任务环境中以较低的成本完成飞行任务，因此在各个领域的应用受到了广泛的关注，其控制律设计问题成为了一项研究热点。国内外学者对四旋翼无人机控制进行了大量研究，提出了许多控制策略，如PID算法，自适应滑模控制，自适应反步法。这些控制策略都以连续的方式对数据进行采集、处理与执行。用于实际飞行控制时，控制***需要以较高采样频率对无人机的状态信息进行采集以及控制器更新，不利于节约能耗，且频繁通信会缩短无人机使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的问题，提供了一种基于动态事件触发的四旋翼无人机控制方法，用以解决传统周期采样导致的数据频繁采集。
上述目的是通过以下技术方案来实现：
本文首先针对复杂环境下的四旋翼无人机，通过选取适当的坐标系，建立带有未知空气阻尼系数的非线性***动力学模型。因四旋翼无人机结构特点所导致的强耦合性，采用串级控制将无人机分为位置环与姿态环两个控制部分进行解耦。然后利用自适应反步法设计连续自适应控制律，实现未知参数估计以及无人机滚转角、俯仰角、偏航角对参考信号的跟踪控制。在此基础上引入动态事件触发机制，设计事件触发控制器，使四旋翼无人机***能够按期望的姿态和轨迹实现稳定的飞行的基础上，降低四旋翼无人机控制器更新频率、减少触发事件次数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
因四旋翼无人机易受干扰且存在通信资源受限问题，传统的周期采样需要以较高采样频率对无人机的状态信息进行采集以及控制器更新，不利于节约能耗，且频繁通信会缩短无人机使用寿命，造成较高的控制代价。利用动态事件触发控制，基于“按需”原则，不再受固定采样周期的限制，控制器仅在需要时进行更新，降低四旋翼无人机控制器更新频率、减少触发事件次数。
附图说明
图1为本发明的滚转角、俯仰角、偏航角跟踪示意图；
图2为本发明的参数估计示意图；
图3为本发明的触发时刻图；
具体实施方式
下面根据附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
步骤(1)建立带有未知空气常系数的四旋翼无人机动力学模型，过程如下：
使用θ＝[x，y，z]T和分别表示无人机在地球固连坐标系下的位置坐标与线速度。φ，θ，ψ定义无人机的三个姿态角，选取状态变量/>并利用牛顿第二定律与欧拉方程，得到四旋翼无人机状态空间方程：
其中m为四旋翼无人机总质量，g为重力加速度，[Θ1，Θ2，Θ3，Θ4，Θ5，Θ6]为未知参数，将四个螺旋桨所产生的合力作用在各个子***上的分力记为各个子***的输入，即U1，U2，U3分别控制滚转、俯仰、偏航三个姿态角，U4代表位置控制输入。h1(X)，h2(X)，h3(X)，h4(X)为已知函数。其中[Jxx，Jyy，Jzz]分别为四旋翼对于机体坐标系三轴的转动惯量，ux＝cosφsinθcosψ+sinφsinψ，uy＝cosφsinβsinψ-sinφcosψ。
步骤(2)利用自适应反步法设计连续控制器，处理***的未知参数，过程如下：
2.1不失一般性，首先以滚转角子***为例，假设已经得到滚转角、俯仰角的期望值，设计该子***的控制律。令则滚转角子***为
2.2给定滚转角参考信号为φd，定义误差变量
e1＝x1-φd
e2＝x2-α1
2.3其中α1为虚拟控制律。选取关于滚转子***的Lyapunov函数
其中 为未知系数Θ的估计，ζ1＞0为设计参数。
2.4对V关于时间t求导得
2.5设计虚拟控制律与自适应控制律为
其中c1＞0，c2＞0，γ1＞0为设计参数。
2.6由于并将控制律与自适应律带入Lyapunov函数中得
其中取τ★＝min{2c1，2c2，γ1}。由推理可得，滚转角子***的误差变量e1，e2与自适应跟踪误差/>有界。
步骤(3)引入动态事件触发机制，设计事件触发控制器，降低无人机控制器更新频率，节约通信资源，过程如下：
3.1设计如下事件触发控制律
其中σ1，ε1，ξ1，ζ1均为正的设计参数，ηφ(t)为动态阈值函数，事件触发机制一旦满足触发条件，控制量/>将应用到***当中。
3.2选取关于滚转角子***的Lyapunov函数
3.3关于滚转角子***求导得
3.4在内，由设计的触发阈值可知/>则存在连续函数λ(t)，满足/>使得并代入得
3.5带入设计的动态事件触发控制器得
3.6由于双曲正切函数满足其中ε＞0，κ＞0，因为|λ(t)|≤1，代入得
3.7取τ1＝min{2c1，2c2，β1，γ1}，由不等式得
其中
由推导得即/>均有界，结合定义可知与α1及其一阶导数均有界。由定义可知跟踪误差e1满足则/>将收敛于一个可调的紧集
步骤(4)在事件触发控制当中需要避免Zeno行为，即存在严格正的的触发间隔下界，过程如下：
4.1首先定义采样误差
4.2对|e(t)|求导得
4.3根据事件触发控制律得
4.4显然为有界函数，即一定存在常数K，使得/>在/>内对两端同时积分，得到
4.5合并不等式得
4.6综上所述，滚转角、俯仰角、偏航角、高度子***的动态事件触发控制律为
其中σj＞0，εj＞0，βj＞0，ξj＞0，j＝1，...，4为设计参数。为各个子***的触发时序。
为了验证所提方法的可行性，本发明给出了该控制方法在MATLAB平台上的仿真结果：参数给定如下：m＝1.4kg，g＝9.81m/s2，Jxx＝0.061kg/m2，Jyy＝0.06kg/m2，Jzz＝0.065kg/m2，K1，K2，K3＝0.3N*s/m，P1，P2，P3＝0.35N*s/m，初始状态的姿态角都是0。
综上所述，一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法能有效减少控制器更新频率，提高资源利用率。
Claims (4)
1.一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤(1)建立带有未知空气常系数的四旋翼无人机动力学模型，
步骤(2)利用自适应反步法设计连续控制器，处理***的未知参数，
步骤(3)引入动态事件触发机制，设计事件触发控制器，降低无人机控制器更新频率，节约通信资源。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述的步骤(1)过程如下：
使用和/>分别表示无人机在地球固连坐标系下的位置坐标与线速度，φ，θ，ψ定义无人机的三个姿态角，选取状态变量/>并利用牛顿第二定律与欧拉方程，得到四旋翼无人机状态空间方程：
其中m为四旋翼无人机总质量，g为重力加速度，[Θ1，Θ2，Θ3，Θ4，Θ5，Θ6]为未知参数，将四个螺旋桨所产生的合力作用在各个子***上的分力记为各个子***的输入，即U1，U2，U3分别控制滚转、俯仰、偏航三个姿态角，U4代表位置控制输入；h1(X)，h2(X)，h3(X)，h4(X)为已知函数，其中[Jxx，Jyy，Jzz]分别为四旋翼对于机体坐标系三轴的转动惯量，
ux＝cosφsinθcosψ+sinφsinψ,uy＝cosφsinθsinψ-sinφcosψ。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)过程如下：
不失一般性，首先以滚转角子***为例，假设已经得到滚转角、俯仰角的期望值，设计该子***的控制律，令x1＝φ，则滚转角子***为
给定滚转角参考信号为φd，定义误差变量
e1＝x1-φd
e2＝x2-α1
其中α1为虚拟控制律，选取关于滚转子***的Lyapunov函数
其中 为未知系数Θ的估计，ζ1＞0为设计参数；
对V关于时间t求导得
设计虚拟控制律与自适应控制律为
其中c1＞0，c2＞0，γ1＞0为设计参数；
由于并将控制律与自适应律带入Lyapunov函数中得
其中取τ★＝min{2c1，2c2，γ1}，由推理可得，滚转角子***的误差变量e1,e2与自适应跟踪误差/>有界。
4.根据权利要求1所述的一种基于动态事件触发的四旋翼无人机姿态控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)过程如下：
设计如下事件触发控制律
其中σ1，ε1，ξ1，/>均为正的设计参数，ηφ(t)为动态阈值函数，事件触发机制一旦满足触发条件，控制量/>将应用到***当中；
选取关于滚转角子***的Lyapunov函数
关于滚转角子***求导得
在内，由设计的事件触发阈值可知/>则存在连续函数λ(t)，满足/>使得并代入得
带入设计的动态事件触发控制器得
由于双曲正切函数满足其中ω＞0,k＞0，因为|λ(t)|≤1,代入得
取τ1＝min{2c1，2c2，β1，γ1}，由不等式得
其中
由推导得即e1，e2，/>ηφ均有界，结合定义可知x1，x2，/>α2与α1及其一阶导数均有界，由定义可知跟踪误差e1满足则/>将收敛于一个可调的紧集
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117850212A (zh) * | 2024-01-10 | 2024-04-09 | 江苏师范大学 | 基于非奇异终端滑模的四旋翼无人机姿态跟踪控制方法 |
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2023
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| CN117850212B (zh) * | 2024-01-10 | 2024-06-18 | 江苏师范大学 | 基于非奇异终端滑模的四旋翼无人机姿态跟踪控制方法 |
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