1.一种三自由度四旋翼飞行器的固定时间自适应姿态控制方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:步骤1,根据动力学原理建立四旋翼飞行器的电压模型,过程如下:
1.1俯仰轴和旋转轴模型俯仰轴和旋转轴的运动用一般方程表示如下:其中,θ为枢轴角实际角度,L是螺旋桨电机和枢轴的距离,J是轴转动惯量,ΔF是差动推力,建立俯仰轴电压模型为其中,Kf是推力常数,Vf是前电机电压,Vb是后电机电压,θp是俯仰角角度,Jp是俯仰轴转动惯量,默认俯仰角角度增量为正,即前电机电压大于后电机电压;
同理,旋转轴电压模型为
其中,Kf是推力常数,Vr是左电机电压,Vl是右电机电压,θr是翻滚角角度,Jr是旋转轴转动惯量,默认翻滚角角度增量为正,即右电机电压大于左电机电压;
1.2偏航轴模型
偏航轴运动是由两个顺时针和两个逆时针旋转螺旋桨旋转产生的不同转矩引起,一般方程表示如下:其中,Jy是旋转轴转动惯量,θy是偏航角角度,τl和τr是左右两个顺时针旋转的螺旋桨产生的转矩,τf和τb是前后两个螺旋桨逆时针旋转产生的转矩;逆时针转矩是负的,假设所有螺旋桨产生的总转矩τ=KtVm,Kt是推力转矩常数,Vm是电机电压,建立偏航轴电压模型为
1.3由于存在测量噪声,电源变化以及外界干扰的影响,考虑在式(2)-(5)中加入扰动项,因此系统的电压模型改写为其中,Uy=Vl+Vr-Vf-Vb、Up=Vf-Vb、Ur=Vr-Vl;dy,dp,dr为扰动项;
将式(6)改写为
其中,q=[y;p;r]代表分别代表偏航轴,俯仰轴,翻滚轴;假定ρq>0表示四旋翼飞行器扰动的最大值,可知|dq|≤ρq;
步骤2,定义系统位置跟踪误差,设计非奇异终端滑模面,过程如下:
2.1定义系统位置跟踪误差为:eq=θq-θd (8)其中, 表示偏航角,俯仰角,翻滚角各自的三阶可微期望角度;
式(8)的一阶微分和二阶微分表示为
2.2为了避免奇异值问题,设计非奇异终端滑模面为:其中,siga(·)=sgn(·)|·|a,a是任意常数,sgn(·)表示符号函数;aq2>0,kq1和kq2是正常数;
2.3设计双幂次趋近律为:其中,αq、βq是正常数,0<rq1<1、rq2>1;
步骤3,设计固定时间自适应控制器,过程如下:
3.1设计固定时间自适应控制器为:其中, 为四旋翼飞行器扰动上界ρq的估计值;
3.2设计自适应更新律为:其中,cq,εq, 为正常数;||·||表示欧几里得范数;
步骤4,分析系统稳定性以及固定时间收敛,过程如下:
4.1设计李雅普诺夫函数为:其中,
对式(10)求一阶微分并将式(7)代入得对式(14)求一阶微分并将式(13)、(15)代入得其中,
对于任意δq>1/2得
其中,
结合式(16)、(17)得其中, 且满足
情况一:如果 有
情况二:如果 有
其中, 且rq0=(rq1+1)/2;
结合式(19)、(20)得结合式(21)、(18)得其中,
对于 有两种情况需要考虑:情况一:当 时,有
将式(23)代入式(22)得情况二:当 时,有
将式(25)代入式(22)得结合式(24)、(26)得其中,
因此,系统位置跟踪误差能在固定时间收敛。