1.一种四旋翼无人机的终端协同控制方法,所述终端协同控制方法包括以下步骤:步骤1,建立四旋翼无人机的动态模型,过程如下:
1.1在忽略空气阻力和陀螺效应的基础上,对四旋翼无人机进行以下假设:无人机是刚性的;无人机的结构是完全对称的;无人机的重心与机体坐标系原点重合;并定义机体坐标系到惯性坐标系的转移矩阵R为:其中,ψ、θ、φ分别为无人机的偏航角、俯仰角、翻滚角;
1.2基于牛顿公式,从受力角度分析无人机,平动过程中有:其中,m表示无人机的质量,g表示重力常数,UF表示无人机四个旋翼产生的合升力,x、y、z表示无人机在惯性坐标系下各轴的位置, 分别表示x、y、z的二阶导数;
将式(1)代入式(2)中得到:
1.3基于欧拉公式,从受力角度分析无人机,转动过程中有:其中,τx、τy、τz分别代表机体坐标系下各轴力矩分量,Ix、Iy、Iz分别代表机体坐标系下各轴转动惯量分量,p、q、r分别代表机体坐标系下各轴姿态角速度分量, 分别代表机体坐标系下各轴姿态角加速度分量;
将式(4)表示为:
考虑到四旋翼无人机处于低速飞行或者悬停状态下,认为将式(5)改写为:
1.4因此系统的动态模型重写为:其中, 以及
其特征在于,所述终端协同控制方法还包括以下步骤:步骤2,计算系统位置跟踪误差,设计位置流形,选择动态特性,过程如下:
2.1定义系统位置跟踪误差为:ew=w-wd (9)其中,w=[x;y;z],wd=[xd;yd;zd]分别表示实际和期望的位置轨迹;
那么式(9)的一阶微分和二阶微分分别表示为:
2.2定义位置流形为:
其中,a1>0,β1>0,p1和q1是正奇数,满足p1<q1<2p1;
那么式(12)的一阶微分表示为:
2.3选择位置流形期望的动态特性方程为:其中,T1>0,决定了系统状态变量收敛到流形sw=0的速度;
步骤3,基于四旋翼无人机的动态模型,根据动态特性方程,设计位置协同控制器,过程如下:
3.1将式(11)、式(12)和式(13)代入式(14)中得到:
3.2考虑式(7)和式(15),位置协同控制器被设计为:其中,U=[Ux;Uy;Uz];
3.3设计李雅普诺夫函数:
对式(17)进行微分,并代入式(16)得到:因此,系统位置跟踪误差能收敛至零,表明系统是稳定的;
步骤4,位置与姿态关系解耦,过程过下:
4.1对式(8)解耦计算,得到:其中,ψd,φd,θd为期望姿态角,ψd由人为给定;
步骤5,计算系统姿态跟踪误差,设计姿态流形,选择动态特性,过程如下:
5.1定义系统姿态跟踪误差为:eΩ=Ω-Ωd (20)其中,Ω=[φ;θ;ψ],Ωd=[φd;θd;ψd]分别表示实际和期望的姿态轨迹;
那么式(20)的一阶微分和二阶微分表示为:
5.2定义姿态流形为:
其中,sΩ=[sx;sy;sz],α2>0,β2>0,p2和q2是正奇数,满足p2<q2<2p2;
那么式(23)的一阶微分表示为:
5.3选择姿态流形期望的动态特性方程为:其中,T2>0,决定了系统状态变量收敛到流形sΩ=0的速度;
步骤6,基于四旋翼无人机的动态模型,根据动态特性方程,设计姿态协同控制器,过程如下:
6.1将式(22)、式(23)和式(24)代入式(25)中得到:
6.2考虑式(7)和式(26),姿态协同控制器被设计为:其中,τ=[τx;τy;τz],b=[b1;b2;b3],
6.3设计李雅普诺夫函数:
对式(28)进行微分,并代入式(27)得到:因此,系统姿态跟踪误差能收敛至零,表明系统是稳定的。