1.一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法,其特征在于:所述方法步骤如下:步骤S1:建立基于拉格朗日牛顿方程构建四旋翼无人机的数学模型;
其中:φ,θ,ψ分别为四旋翼无人机的滚转角、俯仰角和偏航角;x ,y,z为四旋翼无人机质心的位置坐标;l是旋翼末端到旋翼前端的距离;m为四旋翼无人机的质量,I为每个轴的转动惯量,K1~K6为阻力系数;u1~u4为虚拟控制输入; 表示无人机沿着x,y,z方向的速度; 表示无人机在沿着x,y,z方向的加速度; 表示对应角度的一阶导数;
表示对应角度的二阶导数;
步骤S2:四旋翼无人机基于滑模的位置控制律:T T
其中,U(t)=[u1x u1y u1z] 是虚拟控制输入, K=[K1 K2 K3] ,是误差方程的一阶导数,S1是滑模面;Λ=[κ1κ2κ3],Π=[η1η2η3];
步骤S3:在姿态环俯仰角θ上引入时变故障因子δ(t):uc=δ(t)u2,其中,0<δ(t)<1,表示执行器发生部分失效故障;
步骤S4:基于自适应终端滑模设计四旋翼无人机姿态系统的控制律;
其中, p
(t)=1/δ(t), 表示p(t)估计值,步骤S5:在自适应终端滑模控制律下仿真验证容错控制律的有效性。
2.如权利要求1所述的一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法,其特征在于:所述步骤S1中,将构建的四旋翼无人机的数学模型拆分成位置子系统和姿态子系统:位置子系统为 其中:姿态子系统为:
3.如权利要求1所述的一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法,其特征在于:所述步骤S3中,基于滑模设计四旋翼无人机位置系统的控制律具体如下:定义四旋翼无人机与期望位置的误差:E(t)=Pd‑P,其中,Pd为无人机的期望位置,P为无人机的T实际位置,E(t)=[xe ye ze]是误差方程,为了实现无人机沿着期望轨迹飞行,则需要满足T下式: 设计滑模面: 其中,S=[s1 s2 s3] ,C=[c1 c2 c3]是正常数,以位置子系统的x方向为例,y和z方向的求法与x方向相似,提取x方向上所使用的滑模面公式 将滑模面公式求导得到滑模面公式求导公式:将位置子系统公式带入滑模面公式求导公式得到位置子系统滑模面公式: 选取趋近律为
将其带入位置子系统滑模面公式,可得:
同理可得u1y和u1z:
由于欠驱动特性的存在,不
可能对所有的6个自由度都进行跟踪,所以除了控制位置xyz之外,还需控制滚转角φ,同时保证另外两个角度稳定,通过求解所得:因 为s i nθd 的 取值 范 围是 [ ‑ 11 ] ,令当X>1,θd=π/2;当X<‑1,θd=‑π/2;当|X|≤‑1,得到求 出θd 和ψd之 后 ,得到 虚拟 控制 律
4.如权利要求1所述的一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法,其特征在于:所述步骤S3中,引入时变故障因子δ(t)满足下面三种情况:当δ(t)=1,表明执行器无故障;当0<δ(t)<1,表明执行器发生部分失效故障;当δ(t)=0,表明执行器发生卡死故障或者完全失效故障。
5.如权利要求1所述的一种基于自适应终端滑模的四旋翼无人机姿态容错控制方法,其特征在于:所述步骤S4中,基于自适应终端滑模设计四旋翼无人机姿态容错控制律中,通过S3后,无人机的姿态子系统则为 取θe=θ‑θd,θe是俯仰角θ与期望角θd的误差,设计滑模函数 对滑模函数进行求导:将姿态子系统对应俯仰角θ模块代入
上式:
取ρ(t)=1/δ(t),
其中 是估计值 与实际值ρ(t)的误差,由此,得到虚拟控制输入uc如下: 设计自适应律: 其中,
表示p
(t)估计值,γ>0;取ψe=ψ‑ψd,ψe是偏航角ψ与期望角ψd的误差,采用滑模理论设计控制律u3如下:同理可得滚转角方向上的控制律u4为