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申请/专利权人：重庆大学

摘要：本发明公开了一种时变状态约束下多机协同载物的预设时间控制器设计方法，包括构建考虑状态约束的平移和旋转子系统的状态误差动力学模型，基于两个通道状态误差动力学模型，设计基于固定状态约束的一致性有限时间自适应控制器uti和基于固定状态约束的一致性有限时间自适应控制器uri，实现快速稳定的控制目标。其中uti由基础控制部分和不确定因素补偿控制两部分组成，其中，基础控制部分采用了预设时间控制形式，使得系统的收敛速度和抗干扰性得以在用户自定义的时间内优化，而补偿控制部分通过引入虚拟参数及一个可计算的标量函数，并为此虚拟参数设计了自适应更新规则。通过仿真实现证明了本发明设计的控制器不但有效，而且跟踪误差小。

主权项：1.时变状态约束下多机协同载物的预设时间控制器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立多四旋翼无人机带负载的动力学模型，具体表示如下： 其中，表示四旋翼无人机质量矩阵，表示四旋翼无人机的转动惯量矩阵，是负载对第i架无人机的拉力中FTi不包含vi和的部分，ρAi·和ρBi·分别表示第i架无人机平移子系统和旋转子系统的执行器效率函数，gAi·和gBi·分别为与平移子系统和旋转子系统饱和平滑函数相关的函数，ΨAiusi和ΨBiusi分别为输入饱和函数与平滑函数的误差项，δAi·和δBi·分别表示第i架无人机平移子系统和旋转子系统的执行器动作所产生的不可控输出部分，dAi·和dBi·分别表示第i架无人机平移和旋转运动时遭受的外部干扰；usi和umi分别为第i架无人机平移和旋转运动控制器，Gi是重力，表示旋转子模型中的非线性项；为了实现将状态约束引入控制器设计，引入了如下的非线性转换函数htm·： 其中，m＝1,2分别表示无人机位置和速度的状态误差，xtm表示状态，表示期望状态，Dtm1t、Dtm2t分别表示给定的有界时变函数；S2：建立时变状态约束下的多无人机的误差动力学模型，具体包括为：定义一致性平移误差和一致性旋转误差 其中，为第i架无人机位置跟踪误差，为第i架无人机姿态跟踪误差；aij为加速度，pti为第i架无人机位置，ptj为第j架无人机位置，为第i架无人机期望位置，为第j架无人机期望位置，qri为第i架无人机姿态，qrj为第j架无人机姿态，为第i架无人机期望姿态，为第j架无人机期望姿态；将3代入到状态误差公式4和5中，整合最终得到一致性状态误差sti为： 其中，定义n架无人机的一致性平移误差向量和一致性旋转误差向量为St＝[st1,…,stn]T∈Rn×1、Sr＝[sr1,…,srn]T∈Rn×1，定义n架无人机位置跟踪非线性转换误差向量为ht1＝[ht11,…,ht1n]T∈Rn×1，n架无人机姿态跟踪非线性转换误差向量为hr1＝[hr11,…,hr1n]T∈Rn×1；对t通道下的状态误差动力学模型和r通道下状态误差动力学模型表示如下： 其中，表示无人机平移系统质量矩阵，表示无人机旋转系统转动惯量矩阵，ρt和ρr分别表示n架无人机平移和旋转系统对应通道的执行器输出效率函数，gt和gr分别n架无人机平移和旋转系统的执行器饱和函数，ut和ur分别表示地面坐标系下n架无人机平移子系统的控制输入和机体坐标系下n架无人机旋转子系统的控制输入，Gt表示n架无人机受到的重力，表示n架无人机的非线性项，Lt和Lr分别表示无无人机平移和旋转运动子系统的包括的所有不确定项，和分别表示n架无人机与位置和速度误差的时变约束导数相关的函数向量；是待设计的正常数参数，χt1＝diag{χt11,…,χt1n}∈Rn×n、χt2＝diag{χt21,…,χt2n}∈Rn×n分别表示n架无人机与位置和速度误差相关的函数矩阵；Vt＝[vt1,…,vtn]T∈Rn×1、分别表示n架无人机的实际速度和期望速度；Wr＝[wr1,…,wrn]T∈Rn×1、分别表示n架无人机的实际角速度和期望角速度S3：设计多无人机协同带负载的平移子系统和旋转子系统的一致性预设时间自适应容错控制器，具体包括：第一步，考虑式7的状态误差动力学模型，设计基于时变状态约束的一致性预设时间自适应控制器uti：定义李雅普诺夫函数表示如下： 其中Et∈Rn×n为一致性状态误差，表示为拉普拉斯矩阵相关的矩阵；基于时变状态约束的一致性预设时间自适应控制器uti定义为： 上式中，eti是中间过渡误差变量，uci∈R1×1是设计的控制补偿部分，kti0是uti待设计正常数，t0是一个无限趋近于零的正常数；μ∈R1×1是时变尺度函数的缩写；该uti由基础控制部分和不确定因素补偿控制两部分组成，其中，基础控制部分采用了预设时间控制形式，使得系统的收敛速度和抗干扰性得以在用户自定义的时间内优化，而补偿控制部分通过引入虚拟参数及一个可计算的标量函数，并为此虚拟参数设计了自适应更新规则；Ξti·是已知标量函数，是σti的参数估计值，σti通过以下式子更新： 其中θti0也是uti设计参数，通过设计μ使公式1表示的多无人机平移子系统所有信号在预定时间内稳定至零域紧集内；第二步，考虑式8的状态误差动力学模型，设计基于预时变状态约束的一致性预设时间自适应控制器uri：定义李雅普诺夫函数V2表示如下： 基于固定状态约束的一致性有限时间自适应控制器uri定义为： 其中，eri是中间过渡状态误差，udi是设计的控制补偿部分；kri0是uri待设计正常数；Ξri·是已知标量函数，是σri的参数估计值，σri通过以下式子更新： 其中θri0也是uri设计参数，通过设计μ使公式2表示的多无人机旋转子系统所有信号在预定时间内稳定至零域紧集内。

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百度查询： 重庆大学 时变状态约束下多机协同载物的预设时间控制器设计方法