[发明专利]基于反步和滑模控制的非线性鲁棒控制器的设计方法

摘要

本发明公开了一种针对四旋翼无人机非线性模型的基于反步和滑模控制技术的非线性鲁棒控制器的设计方法。首先，针对四旋翼无人机的姿态角系统设计常速趋近律的滑模控制器，确保姿态角的快速跟踪性能。然后，为实现四旋翼无人机空间位置的轨迹跟踪能力，依照反步控制思想逐步构造滑模面和虚拟控制量来实现系统内核到外层的非线性控制律设计和系统稳定设计。在得到相关的虚拟控制量方程之后，通过算术逆运算求解方程来获取姿态角的期望轨迹值，然后利用常速滑模趋近律的设计方法来确定四旋翼无人机系统的最终输入控制律。本发明的方法利用了滑模控制对模型不确定性和外界干扰的不敏感性特点，可以实现干扰下的非线性四旋翼无人机的鲁棒轨迹跟踪控制。

主权项

1.一种基于反步和滑模控制的非线性鲁棒控制器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取四旋翼无人机的实际位置轨迹、位置参考轨迹和偏航角参考轨迹；根据实际位置轨迹和位置参考轨迹依次建立关于各个状态变量的跟踪误差动态子系统，所有的跟踪误差动态子系统组成跟踪误差动态系统；所述状态变量包括姿态角及其一阶导数、位置及其一阶导数；步骤2，根据步骤1建立的跟踪误差动态系统，设计能够保证误差系统稳定并且收敛的反馈渐近跟踪的反步滑模控制器；所述反步滑模控制器利用反步控制的思想为跟踪误差动态系统的每一个跟踪误差动态子系统设计相应的虚拟控制量和滑模面，逐层保证跟踪误差动态子系统的稳定性和动态性能，直到获取能够保证位置轨迹跟踪能力并且关于姿态角状态和实际输入的虚拟控制量；步骤3，对步骤2得到的虚拟控制量进行算术求逆，求取四旋翼无人机姿态角期望值,该姿态角期望值包括滚转角期望轨迹、俯仰角期望轨迹和四旋翼无人机的第四控制分量；步骤4，针对步骤3得到的滚转角期望轨迹、俯仰角期望轨迹以及步骤1获取的偏航角参考轨迹分别设计基于常速趋近的姿态角常规滑模跟踪控制器，根据该姿态角常规滑模跟踪控制器得到四旋翼无人机的滑模控制律，所述滑模控制律包括第一控制分量、第二控制分量以及第三控制分量；步骤5，四旋翼无人机在根据步骤3得到的第四控制分量以及步骤4得到的滑模控制律的作用下对位置参考轨迹和偏航角参考轨迹进行跟踪，进而实现干扰下的非线性四旋翼无人机的鲁棒轨迹跟踪控制。