1.一种四旋翼飞行器控制方法,其特征在于,包括:获取四旋翼飞行器的位置控制量参数和姿态控制量参数,根据位置控制量参数建立位置模型,根据姿态控制量参数建立姿态模型;
将所述位置模型的指标系数和所述姿态模型的指标系数合并,并根据合并后的指标系数构建符合反步法推演格式的位置及姿态模型;
根据反步法推演所述位置及姿态模型得到反步法控制律;
根据自抗扰控制算法优化所述反步法控制律,得到优化后的反步法控制律;
根据所述优化后的反步法控制律对四旋翼飞行器进行飞行控制;
所述根据位置控制量参数建立位置模型,具体包括:所述位置控制量参数包括位置控制量U1,四旋翼飞行器绕x轴、y轴和z轴旋转的欧拉角φ,θ,ψ,重力加速度常量g,四旋翼飞行器的总质量m,四旋翼飞行器沿x轴、y轴和z轴移动的空气阻力系数k1,k2,k3,根据所述位置控制量参数建立位置模型:其中, 和
为位置控制量U1的主要指标系数, 和 为次要指标系数,x、y和z分别为四旋翼飞行器的x轴移动量、y轴移动量和z轴移动量, 和 分别为x、y和z的一阶导数, 和 分别为x、y和z的二阶导数;
所述根据姿态控制量参数建立姿态模型,具体包括:所述姿态控制量参数包括姿态控制量U2,U3,U4,四旋翼飞行器绕x轴、y轴和z轴旋转的欧拉角φ,θ,ψ,四旋翼飞行器绕x轴、y轴和z轴旋转时对应的转动惯量Ix,Iy,Iz,绕x轴、y轴和z轴旋转时对应的空气阻力系数k4,k5,k6,四旋翼飞行器的对角长度l,根据所述姿态控制量参数建立姿态模型:
其中, 为姿态控制量U2的主要指标系数, 为姿态控制量U3的主要指标系数, 为姿态控制量U4的主要指标系数, 为姿态控制量U2的次要指标系数、为姿态控制量U3的次要指标系数和 为U4的次要指标系数, 和 分别为φ,θ,ψ的一阶导数, 和 为φ,θ,ψ的二阶导数;
所述将所述位置模型的指标系数和所述姿态模型的指标系数合并,具体包括:将位置控制量U1的主要指标系数和姿态控制量U2,U3,U4的主要指标系数结合,得到函数向量
将位置控制量U1的次要指标系数和姿态控制量U2,U3,U4的次要指标系数结合,得到函数向量
根据合并后的指标系数构建符合反步法推演格式的位置及姿态模型,具体包括:令U′为控制律,将函数向量g(X)和函数向量f(X)代入下式中,得到符合反步法推演格式的位置及姿态模型,其中,X为位置及姿态模型的期望轨迹参数, 为X的二阶导数;
U′=[U1,U2,U3,U4],U1为位置控制量和U2,U3,U4为姿态控制量。
2.根据权利要求1所述一种四旋翼飞行器控制方法,其特征在于,根据反步法推演所述位置及姿态模型得到反步法控制律,具体包括:定义所述位置及姿态模型的期望轨迹参数;
获取四旋翼飞行器实际轨迹参数,确定所述期望轨迹参数和实际轨迹参数的差值,得到第一跟踪误差;
建立所述第一跟踪误差的Lyapunov李雅普诺夫函数,得到第一Lyapunov李雅普诺夫函数,并对所述第一Lyapunov李雅普诺夫函数进行求导,得到第一跟踪误差一阶导数、实际轨迹一阶导数和期望轨迹一阶导数;
根据所述第一跟踪误差一阶导数、实际轨迹一阶导数和期望轨迹一阶导数得到第二跟踪误差;
建立所述第一跟踪误差和第二跟踪误差的Lyapunov李雅普诺夫函数,得到第二Lyapunov李雅普诺夫函数,对第二Lyapunov李雅普诺夫函数进行一阶求导,得到第二Lyapunov李雅普诺夫函数一阶导数,根据所述第二Lyapunov李雅普诺夫函数一阶导数得到反步法控制律。
3.根据权利要求2所述一种四旋翼飞行器控制方法,其特征在于,所述根据所述第二Lyapunov李雅普诺夫函数一阶导数得到反步法控制律后,还包括对所述第一跟踪误差和第二跟踪误差进行收敛的步骤,具体为:通过所述反步法控制律对第二Lyapunov李雅普诺夫函数进行收敛,得到收敛后的第一跟踪误差和第二跟踪误差。
4.根据权利要求1所述一种四旋翼飞行器控制方法,其特征在于,所述根据自抗扰控制算法优化反步法控制律,具体包括:所述反步法控制律包括跟踪误差控制参数;
将所述跟踪误差控制参数改写为线性微分控制参数;
根据自抗扰控制算法得到位置及姿态模型的非线性控制律,将所述非线性控制律代替所述反步法控制律中的线性微分控制参数,得到优化后的反步法控制律。
5.根据权利要求4所述一种四旋翼飞行器控制方法,其特征在于,所述将所述跟踪误差控制参数改写为线性微分控制参数,具体包括:从反步法控制律中得到跟踪误差控制参数,具体为:所述反步法控制律为
其中, 为跟踪误差控制参数,e1为第一跟踪误差, 为一阶导数,e2为第二跟踪误差,k1和k2为可调参数,Xd为期望轨迹参数, 为二阶导数,g(X)为位置控制量U1的主要指标系数和姿态控制量U2,U3,U4的主要指标系数结合得到的函数向量,f(X)为位置控制量U1的次要指标系数和姿态控制量U2,U3,U4的次要指标系数结合得到的函数向量;
将所述跟踪误差控制参数进行化简,具体为:令第一跟踪误差e1=Xd‑X,第二跟踪误差 其中指数非线性参数k1为可调参数,Xd为期望轨迹参数,X为实际轨迹参数,将e2代入反步法控制律中,得到
令(k1k2+1)=kp,(k1+k2)=kd,将上式改写为得到线性微分控制参数 从而将所述跟踪误差控制参数改写为线性微分控制参数。
6.根据权利要求4所述一种四旋翼飞行器控制方法,其特征在于,所述将自抗扰控制算法中的非线性控制律代替所述反步法控制律中的线性微分控制参数,具体包括:令 为第一跟踪误差e1的非线性fal函数,为第二跟踪误差e2的非线性fal函数,根据自抗扰控制算法构建非线性控制律u,u=k1fal(e1,α1,σ1)+k2fal(e2,α2,σ2)其中,k1和k2为可调参数,α1和α2为指数非线性参数,σ1和σ2为阈值;
将所述非线性控制律u代替所述反步法控制律中的线性微分控制参数 即从而得到优化后的反步法控制律。
7.一种四旋翼飞行器控制系统,其特征在于,包括:模型建立模块,用于获取四旋翼飞行器的位置控制量参数和姿态控制量参数,根据位置控制量参数建立位置模型,根据姿态控制量参数建立姿态模型;
系数合并模块,用于将所述位置模型的指标系数和所述姿态模型的指标系数合并,并根据合并后的指标系数构建符合反步法推演格式的位置及姿态模型;
控制律推演模块,用于根据反步法推演所述位置及姿态模型,得到反步法控制律;
控制律优化模块,用于根据自抗扰控制算法优化所述反步法控制律,得到优化后的反步法控制律;
飞行控制模块,用于根据所述优化后的反步法控制律对四旋翼飞行器进行飞行控制;
所述根据位置控制量参数建立位置模型,具体包括:所述位置控制量参数包括位置控制量U1,四旋翼飞行器绕x轴、y轴和z轴旋转的欧拉角φ,θ,ψ,重力加速度常量g,四旋翼飞行器的总质量m,四旋翼飞行器沿x轴、y轴和z轴移动的空气阻力系数k1,k2,k3,根据所述位置控制量参数建立位置模型:其中, 和
为位置控制量U1的主要指标系数, 和 为次要指标系数,x、y和z分别为四旋翼飞行器的x轴移动量、y轴移动量和z轴移动量, 和 分别为x、y和z的一阶导数, 和 分别为x、y和z的二阶导数;
所述根据姿态控制量参数建立姿态模型,具体包括:所述姿态控制量参数包括姿态控制量U2,U3,U4,四旋翼飞行器绕x轴、y轴和z轴旋转的欧拉角φ,θ,ψ,四旋翼飞行器绕x轴、y轴和z轴旋转时对应的转动惯量Ix,Iy,Iz,绕x轴、y轴和z轴旋转时对应的空气阻力系数k4,k5,k6,四旋翼飞行器的对角长度l,根据所述姿态控制量参数建立姿态模型:
其中, 为姿态控制量U2的主要指标系数, 为姿态控制量U3的主要指标系数, 为姿态控制量U4的主要指标系数, 为姿态控制量U2的次要指标系数、为姿态控制量U3的次要指标系数和 为U4的次要指标系数, 和 分别为φ,θ,ψ的一阶导数, 和 为φ,θ,ψ的二阶导数;
所述将所述位置模型的指标系数和所述姿态模型的指标系数合并,具体包括:将位置控制量U1的主要指标系数和姿态控制量U2,U3,U4的主要指标系数结合,得到函数向量
将位置控制量U1的次要指标系数和姿态控制量U2,U3,U4的次要指标系数结合,得到函数向量
根据合并后的指标系数构建符合反步法推演格式的位置及姿态模型,具体包括:令U′为控制律,将函数向量g(X)和函数向量f(X)代入下式中,得到符合反步法推演格式的位置及姿态模型,其中,X为位置及姿态模型的期望轨迹参数, 为X的二阶导数;U′=[U1,U2,U3,U4],U1为位置控制量和U2,U3,U4为姿态控制量。
8.一种四旋翼飞行器控制装置,其特征在于,包括传感器、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。