吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法及系统

本发明属于具有吊挂载荷四旋翼无人机的轨迹跟踪控制，具体涉及一种吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法及系统。

背景技术：

1、四旋翼无人机具有灵活性高、功能性强、成本低以及结构简单等特点，在军事侦察、救援、物流运输、区域测绘等领域得到了广泛应用。然而，四旋翼无人机是一类在复杂飞行环境下具有高度非线性和强耦合的欠驱动系统，且由于部件老化等因素的干扰，四旋翼无人机的执行器极易发生未知时变故障，这将严重制约系统的控制效果，甚至导致系统不稳定。

2、此外，在复杂飞行环境下，四旋翼无人机突然改变姿态会导致吊挂载荷的载荷角产生较大振荡，振荡产生的力和力矩将会在一定程度上降低系统的跟踪精度。因此，在执行器发生未知故障的情况下，如何提高不确定吊挂载荷无人机的跟踪控制研究系统的瞬时响应能力和轨迹跟踪性能，保证系统的正常运行，在控制理论与应用领域受到广泛关注。

3、目前，针对四旋翼无人机控制系统的设计，现有控制方法主要集中为采取单一的控制算法或者只针对四旋翼无人机外界未知扰动、模型不确定性、执行器故障等其中的一项进行处理，无法满足实际物理系统的应用需求，具体控制方法主要有：

4、1.pid控制算法，该算法通过小扰动方法将四旋翼无人机的模型由非线性转化为线性模型，设计的控制器具有结构简单的优点，但是控制器参数难以调节，需要依靠研究人员的经验，且无法在线自适应更新调节，对于强非线性系统和强耦合系统，其控制效果并不理想；

5、2.反步控制方法，该方法常用于低阶非线性系统控制，但当系统存在不确定项且模型阶数较高时，设计过程较为复杂，且有复杂性“爆炸”问题；

6、3.滑模控制，该方法对参数变化具有较强的鲁棒性，常用于存在不确定性、外界扰动的非线性四旋翼无人机系统控制中，但对非匹配摄动的抑制能力却不尽如人意，会因为滑模控制开关项的高频切换而产生抖振问题；

7、4.模糊控制，该方法已有效应用于未知非线性信号的动态估计，适合解决控制中的非线性、强耦合、时变及纯滞后等问题，有较强的容错能力，但会存在逼近误差。

8、然而，在实际飞行过程中，四旋翼无人机往往会受到模型不确定性、外界未知干扰、未知故障信号和吊挂载荷角振荡等因素的影响，导致所设计控制方案不能完全实现系统的稳定与精确控制，使得四旋翼无人机的跟踪控制效果不够理想。

9、此外，由于部件老化等因素的干扰，四旋翼无人机的执行器极易发生未知时变故障，将严重制约系统的控制效果，甚至导致系统不稳定。并且，对于带有吊挂载荷的四旋翼无人机，如果突然改变其飞行姿态及执行器故障导致的姿态异常，均会导致吊挂载荷的载荷角产生较大振荡，限制系统的跟踪精度，甚至使系统无法有效地实现轨迹跟踪。

10、模糊逻辑系统因其对非线性未知信号具有强大的逼近能力，被成功应用于不确定四旋翼无人机的跟踪控制。同时，应注意到，上述控制方法都不能保证跟踪误差的有限时间收敛，特别是存在未知外部干扰和执行器故障的情形。与传统的渐近收敛方法相比，有限时间控制具有较快的响应速度和更高的跟踪精度。因此，研究存在外界未知干扰和执行器故障下吊挂载荷四旋翼无人机系统的自适应模糊分数阶滑模容错控制方法，使得系统稳定运行并保证轨迹跟踪误差有限时间收敛是一个亟需解决的问题，具有重要的理论意义和实用价值。

技术实现思路

1、针对在复杂飞行环境下吊挂载荷四旋翼无人机会面临模型参数不确定、外界未知扰动、未知执行器故障、载荷角振荡等问题，本发明提出了一种吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法，以确保系统稳定运行及期望轨迹的高精度跟踪。

2、本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

3、吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法，包括如下步骤：

4、步骤1.建立带有执行器故障的四旋翼无人机系统动力学模型以及吊挂载荷模型；

5、步骤2.针对步骤1所构建的四旋翼无人机系统动力学模型，构建有限时间自适应模糊分数阶滑模控制器，其构建过程包括对滑模控制方法滑模面的设计、四旋翼无人机高度控制律、姿态控制律以及虚拟位置控制律的设计；

6、步骤3.对步骤2中构建的控制器，进行滑模变量及自适应参数估计误差有界性分析；

7、步骤4.对步骤2中构建的控制器，进行所设计滑模面的可达性分析；

8、步骤5.对步骤2构建的控制器，进行滑动阶段误差收敛性分析；

9、步骤6.针对步骤1所构建的吊挂载荷模型给出抗摆动控制器的设计，针对吊挂载荷的抗摆动控制器和针对四旋翼无人机的有限时间自适应模糊分数阶滑模控制器独立作用。

10、此外，在上述吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法的基础上，本发明还提出了一种吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制系统。

11、吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制系统，包括如下模块：

12、模型构建模块，用于建立带有执行器故障的四旋翼无人机系统动力学模型以及吊挂载荷模型；

13、控制器设计模块，用于针对四旋翼无人机系统动力学模型，构建有限时间自适应模糊分数阶滑模控制器，其构建过程包括对滑模控制方法滑模面的设计、四旋翼无人机高度控制律、姿态控制律以及虚拟位置控制律的设计；

14、有界性分析模块，用于对构建的控制器进行滑模变量及自适应参数估计误差有界性分析；

15、滑模面可达性分析模块，用于对构建的控制器，进行滑模面可达性分析；

16、收敛性分析模块，用于对构建的控制器，进行滑动阶段误差收敛性分析；

17、以及抗摆动控制器设计模块，用于针对吊挂载荷模型设计抗摆动控制器，针对吊挂载荷的抗摆动控制器和针对四旋翼无人机的有限时间自适应模糊分数阶滑模控制器独立作用。

18、此外，在上述吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法的基础上，本发明还提出了一种计算机设备，该计算机设备包括存储器和一个或多个处理器。

19、所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，用于实现上面述及的吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法的步骤。

20、此外，在上述吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法的基础上，本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序。该程序被处理器执行时，用于实现上面述及的吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法的步骤。

21、本发明具有如下优点：

22、如上所述，本发明述及了一种吊挂载荷无人机自适应模糊分数阶滑模容错控制方法，该方法基于模糊分数阶滑模控制技术，对带有未知外部干扰和执行器故障的吊挂载荷四旋翼无人机进行有限时间跟踪控制，提出了可获得控制器设计所涉及参数未知估计值的自适应方法，确保了在出现执行器故障情况下跟踪误差的有限时间收敛。此外，本发明还提出了一种不依赖于针对四旋翼无人机的有限时间自适应模糊分数阶滑模控制器的抗摆动控制器，使得四旋翼无人机在x和y方向上的参考轨迹xd、yd能够自主调节以抑制载荷角振荡，在所设计的自适应模糊分数阶滑模控制器下，闭环系统可实现较好的稳态和瞬态性能，且有效地抑制系统的抖振。