1.一种考虑电机电压的四旋翼飞行器姿态控制方法,其特征在于,所述控制方法包括以下步骤:步骤1,建立基于电机电压的四旋翼飞行器姿态模型,初始化四旋翼姿态信息、采样时间以及控制参数的过程如下:
1.1在不考虑外部干扰的情况下,电机电压作为控制输入,给出基于电机电压的四旋翼飞行器系统姿态模型:其中, 分别表示偏航角加速度、俯仰角加速度、翻滚角加速度;Jy、Jp、Jr分别代表偏航轴转动惯量、俯仰轴转动惯量以及翻滚轴转动惯量,Kt是推力转矩常数,Kf是推力常数,L是螺旋桨电机和枢轴的距离,u1、u2和u3分别表示四旋翼飞行器偏航角、俯仰角以及翻滚角的控制量;
步骤2,计算四旋翼控制系统姿态跟踪误差,设计快速终端滑模面函数,过程如下:
2.1定义系统姿态跟踪误差列向量e为
e=xd-x (2)
其中,e=[ey ep er]T,ey表示偏航角跟踪误差,ep表示俯仰角跟踪误差,er表示翻滚角跟踪误差;xd=[ψd θd φd]T,ψd表示偏航角期望值,θd表示俯仰角期望值,φd表示翻滚角期望值;x=[ψ θ φ]T,ψ表示偏航角实际值,θ表示俯仰角实际值,φ表示翻滚角实际值;式(2)的一阶导数和二阶导数分别为
2.2设计快速终端滑模函数
其中,σy、σp、σr、τy、τp和τr为正常数,a>b>1;sy表示用于偏航角姿态控制的滑模函数,表示偏航角跟踪误差的一阶微分;sp表示用于俯仰角姿态控制的滑模函数, 表示俯仰角跟踪误差的一阶微分;sr表示用于翻滚角姿态控制的滑模函数, 表示翻滚角跟踪误差的一阶微分;siga(ey)、siga(ep)、siga(er)满足下列表达式|ey|、|ep|、|er|分别表示偏航角跟
踪误差绝对值、俯仰角跟踪误差绝对值以及翻滚角跟踪误差绝对值;sgn(ey)、sgn(ep)、sgn(er)表达形式为步骤3,基于电机电压的四旋翼飞行器姿态模型,根据快速终端滑模函数,设计快速终端滑模控制器,过程如下:
3.1设计指数趋近律
其中ky1>0,ky2>0,kp1>0,kp2>0,kr1>0,kr2>0以保证sy、sp、sr都以指数形式快速收敛到滑模面;
3.2对式(5)进行求导得
3.3联立式(11)和式(10)得到
3.4将式(4)展开得
其中, 分别表示偏航角、俯仰角以及翻滚角期望值的二阶微分;
分别表示偏航角、俯仰角以及翻滚角实际值的二阶微分;
3.5将式(13)代入式(12),得到
3.6由式(1)和式(14)得到控制器为
3.7根据控制器得到四旋翼飞行器电机电压表达式如下其中,Vf、Vb、Vr、Vl分别表示四旋翼飞行器前、后、右、左电机电压幅值;同时默认偏航角度增量为正时,顺时针旋转的左、右螺旋桨的电机电压之和大于逆时针旋转的前、后螺旋桨的电机电压之和;俯仰角度增量为正时,前电机电压大于后电机电压;翻滚角度增量为正时,右电机电压大于左电机电压;
3.8设计李雅普诺夫函数
对式(19)进行求导得
将式(10)代入式(20)中得到
由于V≥0,且 则判定系统是稳定的。