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专利号: 2024115562679
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-22
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制方法,其特征在于,包括:建立存在多源扰动情况下的四旋翼飞行器系统模型;

基于自抗扰理论设计相应的跟踪微分器;

根据四旋翼飞行器系统模型,获取其状态空间模型,从而设计线性回归方程,并得到梯度下降观测器;通过梯度下降观测器对系统速度和未知扰动进行重构,得到重构后的系统速度和未知扰动;

根据所述四旋翼飞行器系统模型和跟踪微分器设计非奇异快速终端滑模控制器;将重构后的系统速度和未知扰动代入非奇异快速终端滑模控制器得到无速度传感控制器;根据无速度传感控制器实现四旋翼飞行器系统有限时间自抗扰控制。

2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制方法,其特征在于,所述存在多源扰动情况下的四旋翼飞行器系统模型包括:,

其中,、 、分别为飞行器在参考系下的三个位置子通道;为飞行器在参考系下的滚转角姿态子通道;为飞行器在参考系下的俯仰角姿态子通道; 为飞行器在参考系下的偏航角姿态子通道; 为飞行器的质量; 为重力加速度; 分别为 、、z、 、 、 的一阶导数; 分别为 、 、z、 、 、 的二阶导数,分别为飞行器在参考系下 、 、三轴转动惯量; 、 、 为对应位置子通道的平动阻力系数; 、 、 为对应姿态子通道的空气摩擦阻力系数; 、 、 、 、 、为相应子通道的未知扰动; 为四旋翼飞行器的位置系统控制率; 是 姿态子通道的控制率, 是 姿态子通道的控制率, 是 姿态子通道的控制率; 为滚转角子通道的耦合项, 为俯仰角子通道的耦合项, 为偏航角子通道的耦合项。

3.根据权利要求2所述的四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制方法,其特征在于,所述跟踪微分器的离散形式为:,

其中: 为各子通道的输入参考信号, 取 , ,,,, 四旋翼飞行器的六个子通道中的一种; 为 的跟踪信号,  为 的一阶微分信号, 为 的跟踪信号,为 的二阶微分信号, 分别为 的一阶导数, 为第一个跟踪微分器的速度因子, 为第二个跟踪微分器的速度因子, 是滤波因子, 是最速控制综合函数;

其中, 算法公式如下:

其中,表示系统的采样步长,表示系统的速度因子, 、 、 、 、 、 、均为微分跟踪器设计过程中的中间变量。

4.根据权利要求3所述的四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制方法,其特征在于,所述根据四旋翼飞行器系统模型,获取其状态空间模型,从而设计线性回归方程,并得到梯度下降观测器具体包括:将四旋翼飞行器系统模型转化为四旋翼飞行器系统状态空间模型:,

其中, 为四旋翼飞行器系统的坐标状态变量, 为四旋翼飞行器系统的速度状态变量, 分别为 、 的一阶导数; 为与 相关的第一常量, 为与 相关的第二常量, 为与 不相关的变量, 为常数, , 为第二待估计参数;

对上述四旋翼飞行器系统状态空间模型进行动态扩展:,

其中,为 的重构状态, 为状态转移矩阵; 为第一中间变量, 为第二中间变量, 为原观测器增益,  、  、  、 分别为 、 、 、 的初始值,为时间, 分别为 、 、 、 的一阶导数;

设计线性回归方程为:

 ,

其中,为可测变量, ,为未知参数向量, ,其中, 为第一待估计参数;

则梯度下降观测器为:

其中, 、 、 、 分别为动态扩张量, 、 、、 分别为 、 、、的一阶导数,、 、 、 分别为滤波器参数, 为梯度下降观测器增益, 为 的行列式,为 的伴随矩阵,为第三中间变量, 为 的初始值,为微分算子,为梯度下降观测器的输出, ,其中, 、 为 、 的估计值。

5.根据权利要求4所述的四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制方法,其特征在于,所述系统速度和未知扰动重构后的表达式为:,

其中, 为子通道的未知扰动,i取1、2、3、4、5、6; 、 、 、 分别表示  、 、 、的估计值, 、 分别为 、 的观测值, 、 分别为 、 的初始值。

6.根据权利要求5所述的四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制方法,其特征在于,当四旋翼飞行器系统状态空间模型为位置系统的 子通道观测器时, , ,, , 为 子通道的控制输入量, ;

当四旋翼飞行器系统状态空间模型为位置系统的 子通道观测器时, , ,, , 为 子通道的控制输入量, ;

当四旋翼飞行器系统状态空间模型为位置系统的 子通道观测器时, , ,, , 为 子通道的控制输入量, ;

其中, ,

当四旋翼飞行器系统状态空间模型为姿态系统的滚转角观测器时, , ,, , 为滚转角的控制输入量, ;

当四旋翼飞行器系统状态空间模型为姿态系统的俯仰角观测器时, , ,, , 为滚转角的控制输入量, ;

当四旋翼飞行器系统状态空间模型为姿态系统的偏航角观测器时, , ,, , 为滚转角的控制输入量, 。

7.根据权利要求6所述的四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制方法,其特征在于,所述根据所述四旋翼飞行器系统模型和跟踪微分器设计非奇异快速终端滑模控制器;将重构后的系统速度和未知扰动代入非奇异快速终端滑模控制器得到无速度传感控制器;根据无速度传感控制器实现四旋翼飞行器系统有限时间自抗扰控制具体包括:基于所述四旋翼飞行器系统模型和跟踪微分器,构建四旋翼飞行器系统的位置系统控制器滑模函数为:,

其中, 、 、 为三个位置子通道 对应的滑模面函数, 、 、 、 为 对应的滑模面参数, 、 、 、 为 对应的滑模面参数, 、 、 、 为 对应的滑模面参数, 、 、 分别为 、 、的期望值, 、 、 分别为期望值 、 、 与实际值的误差, 、 、 为 、 、 的一阶导数,则 、 、 的一阶导数 、 、 分别为:

其中: ,

、 、 为 、 、 的二阶导数;

选取指数趋近率如下:

其中: 、 、 为分别控制器增益, 、 、 为趋近率系数;

将上述选取的指数趋近率表达式代入到 、 、 中,从而可以解得位置系统的非奇异快速终端滑模控制器 、 、 为:,

其中: 、 、 为位置系统的虚拟控制量, 分别为 的一阶导数,分别为 、 、 的二阶导数;

将重构后的四旋翼飞行器系统位置系统的速度和未知扰动代入至位置系统的非奇异快速终端滑模控制器 、 、 ,获取位置系统的无速度传感控制器为:,

其中:  、 、 、 、 、、 、、 、 、 分别为 、 、 、 、 、 、、 、、、 、 的估计值;

根据位置系统的无速度传感控制器反解系统的虚拟控制输入得到位置系统控制器为:,

其中: 、 、 分别为 、、 的期望值;

姿态系统控制器设计为:

,

其中, ,

其中: 、 、 为中间变量, 、 、 为期望值 、 、 与实际值的误差,为 的二阶导数, 、 、 为三个姿态子通道对应的滑模面函数,、 、 、 为 对应的滑模面参数, 、 、 、 为 对应的滑模面参数, 、 、 、为 对应的滑模面参数, 、 、 为控制器增益, 、 、 为趋近率系数, 、、 、 、 、 、、、 、 、 、 , 、 、 , 、 、 为 、 、 、 、 、 、、、、 、 、 , 、 、 、 、 、 的估计值。

8.一种四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制装置,其特征在于,包括:建立模块,用于建立存在多源扰动情况下的四旋翼飞行器系统模型;

设计模块,用于基于自抗扰理论设计相应的跟踪微分器;

重构模块,用于用于根据四旋翼飞行器系统模型,获取其状态空间模型,从而设计线性回归方程,并得到梯度下降观测器;通过梯度下降观测器对系统速度和未知扰动进行重构,得到重构后的系统速度和未知扰动;

控制模块,用于根据所述四旋翼飞行器系统模型和跟踪微分器设计非奇异快速终端滑模控制器;将重构后的系统速度和未知扰动代入非奇异快速终端滑模控制器得到无速度传感控制器;根据无速度传感控制器实现四旋翼飞行器系统有限时间自抗扰控制。

9.一种四旋翼飞行器有限时间自抗扰控制系统,其特征在于,包括:存储器,用于存储计算机程序/指令;

处理器,用于执行所述计算机程序/指令以实现权利要求1 7中任一项所述的四旋翼飞~行器有限时间自抗扰控制方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序/指令,其特征在于,该计算机程序/指令被处理器执行时,实现权利要求1 7中任一所述的四旋翼飞行器有限时间自抗扰控~制方法的步骤。