一种三自由度直升机的被动容错控制方法技术

本发明专利技术涉及飞行器控制领域，具体地说，涉及一种三自由度直升机的被动容错控制方法，S101：建立三自由度直升机的动力学模型：模拟直升机的俯仰、升降、航向运动，分别对应着三个角度：俯仰角、升降角、航向角，建立三自由度直升机的动力学方程；S102：被动容错控制方案：直升机运行，给定升降角和航向角的运行值，计算得到升降角、航向角的给定值，从而计算得到俯仰角的给定值，然后执行S103，S103：设计被动容错控制器：在电机发生故障时，调整电机使直升机在有限时间内；然后得到升降角、航向角的被动容错输入值，计算得出俯仰角的被动容错输入值，然后控制使得，不但能保证三自由度直升机在没有故障时的正常运行，并且在发生故障时，还可以消除故障对飞行位置的准确度的影响。 1

A passive fault tolerant control method for three degree of freedom helicopter

The invention relates to the field of aircraft control, in particular, a passive fault-tolerant control method for a three degree of freedom helicopter, S101: a dynamic model of a three degree of freedom helicopter: the pitching, lifting and heading motion of a simulated helicopter, which correspond to three angles, the pitch angle, the lift angle, the heading angle, and the establishment of three. The dynamic equation of the degree of freedom helicopter; S102: passive fault-tolerant control scheme: the helicopter runs, the running value of the lift angle and direction angle is given, the given values of the lift angle and heading angle are calculated, and the given value of the pitching angle is calculated, and then the S103, S103: design passive fault-tolerant controller: cause the motor to happen When the machine is blocked, the motor is adjusted to make the helicopter in the limited time; then the passive fault-tolerant input value of the lift angle and heading angle is obtained, and the passive fault-tolerant input value of the pitch angle is calculated. Then the control makes it possible not only to guarantee the normal operation of the three degree of freedom helicopter in the absence of failure, but also to eliminate the failure of the helicopter. The effect of fault on the accuracy of the flight position. One

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度直升机的被动容错控制方法
本专利技术涉及飞行器控制领域，具体地说，涉及一种三自由度直升机的被动容错控制方法。
技术介绍
近年来，直升机在各个领域都有了广泛的应用，与固定翼飞机相比，直升机具有能够垂直起降、空中悬停、前后左右飞行等显著特点，因而在军用、民用等各个领域得到广泛的应用，如5.12汶川特大地震时，道路因阻塞导致救援人员无法快速到达灾区现场，这时直升机特别是重型直升机便显现出巨大的优势。直升机作为一个典型的复杂系统，其飞行控制系统具有强耦合、非线性、多输入多输出等特点，一旦发生故障，容易造成严重后果，因此直升机的控制器必须具有很好的容错能力。基于上述情况，为了满足实际应用需求，亟需一种考虑直升机在执行器发生故障时仍然能够很好的完成飞行任务的控制方法，确保直升机安全运行。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了本专利技术提供了一种三自由度直升机的被动容错控制方法，其具体的技术方案如下：一种三自由度直升机的被动容错控制方法，直升机包括两个驱动电机，其包括下列步骤：S101：建立三自由度直升机的动力学模型：模拟直升机的俯仰、升降、航向运动，分别对应着三个角度：俯仰角p、升降角ξ、航向角λ，建立三自由度直升机的动力学方程；S102：被动容错控制方案：直升机运行，设置升降角ξd和航向角λd的给定值，从而计算得到俯仰角pd的给定值，然后执行S103，S103：设计被动容错控制器：在电机发生故障时，调整电机使直升机在有限时间内ξ→ξd、p→pd；然后得到升降角ξ、航向角λ的被动容错输入值u1，计算得出俯仰角的被动容错输入值u2，然后控制使得p→pd。优化地，步骤S101中，两个电机产生的两个推力Ff、Fb，产生的推力与其上施加的电压近似成比例，设Kf为推力常数，则电机产生的推力为：优化地，步骤S101中，两个电机的控制输入为：优化地，步骤S103中，两个电机的控制电压为：优化地，步骤S101中的动力学方程为：，其中，Lh是每个电机到俯仰轴之间的距离；Jp是俯仰轴的转动惯量，其中Mh是直升机本体的质量；La是航向轴到直升机本体的距离；Tg是俯仰轴等效重力矩，Tg＝MhgLa-MwgLw；Je是升降轴的转动惯量，Lw是航向轴到平衡块的距离，Mw是平衡块的质量；Jt是航向轴的转动惯量，优化地，步骤S102中，执行器发生故障时输入方程为：其中优化地，步骤S102中，发生执行器故障时直升机的动力学模型为：优化地，步骤S102中，俯仰角是如下得到：首先引入两个虚拟输入w2＝ulcosξsinp可得控制输入量u1：其中因为机械结构的限制，的分母cosp＞0，所以用分子来表示u1的符号，将w1d、w2d分别作为w1、w2的控制信号，可得同理，设计u2使得p→pd优化地，根据上一步的计算，定义误差e为：其中pd来自上一步，则追踪误差率为：定义滑模面为：其中β*＞0是一个需要设计的常数，m*和n*是正奇数，*＝ξ，p，λ，可得控制律为：其中1＜m*/n*＜2，η*＞0，lf，*＞0，*＝ξ，p，λ。针对现有被动容错控制方法的缺点，本专利技术提供了一种三自由度直升机的被动容错控制方法，有效保障了实际应用需求，不但能保证三自由度直升机在没有故障时的正常运行，并且在发生故障时，还可以消除故障对飞行位置的准确度的影响。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明图1是本专利技术提供的一个实施例的三自由度直升机的实物图；图2是本专利技术提供的一个实施例的三自由度直升机的简化结构图；图3是根据本专利技术的一个实施例的实际和给定的升降角与时间的曲线图。图4是根据本专利技术的一个实施例的实际和给定的俯仰角与时间的曲线图。图5是根据本专利技术的一个实施例的实际和给定的航向角与时间的曲线图。。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细的说明。实施例：以下将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的实施方式，借此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本专利技术中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本专利技术的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种三自由度直升机的被动容错控制方法，所述方法包括：步骤S101，建立三自由度直升机的动力学模型三自由度双旋翼直升机半实物仿真平台如图1所示，基座与机架臂相连处安有一个万向节，它使得机架臂可以自由的绕升降轴和航向轴运动，机架臂一端是直升机本体，它是由悬挂于机架臂前端的横梁和安装在横梁上的两个推进器组成，两个推进器分别被两个直流电机驱动，两个电机的轴平行并且推力垂直于横梁。机架臂的另外一端则装有一个平衡块，它的作用是减少直升机本体悬停时所需要的电机能量，这样电机在较小的电压驱动下直升机本体就可以升起。依靠两个电机带动螺旋桨转动产生升力，模拟直升机的俯仰(pitch)、升降(elevation)、航向(travel)运动，分别对应着三个角度：俯仰角p、升降角ξ、航向角λ由于机械结构的限制，俯仰角和升降角的范围分别是-45deg≤p≤+45deg和-27.5deg≤ξ≤+30deg。两个电机产生的两个推力Ff、Fb控制着直升机的三个姿态，表明这个系统是一个欠驱动系统。因为直升机是由两个电机带动两个螺旋桨产生升力，产生的推力与其上施加的电压近似成比例，设Kf为推力常数，则电机产生的推力为在三自由度直升机控制系统的建模过程中采用地面坐标系来分析系统的受力和力矩情况，图2为三自由度直升机半物理仿真平台的简化示意图，为了简化建模过程和建模结果，在建立其控制系统数学模型的过程中，需要忽略一些次要因素，并添加一些限制和假设：1.直升机系统的机械部分是不会发生弹性形变的刚体；2.不考虑数字信号和模拟信号在系统传输中的延迟，即该直升机控制系统为无延时系统；3.忽略电机惯性，直流无刷电机的电压和力矩之间保持线型比例关系；4.忽略低速下飞行时的空气阻力、三个旋转轴的运动摩擦以及旋翼旋转产生的陀螺效应。根据简化模型示意图3所示，在建立好的地面坐标系中，可以分别建立三个旋转轴上的动力学方程：其中Lh是每个电机到俯仰轴之间的距离；Jp是俯仰轴的转动惯量，其中Mh是直升机本体的质量；La是航向轴到直升机本体的距离；Tg是俯仰轴等效重力矩，Tg＝MhgLa-MwgLw；Je是升降轴的转动惯量，Lw是航向轴到平衡块的距离，Mw是平衡块的质量；Jt是航向轴的转动惯量，其中两个控制输入为由(15)(17)可以得到前后两个电机的控制电压步骤S102，被动容错控制方案分别将ξd、pd和λd作为指定的俯仰角、高度角和航向角。控制方案的目标是设计u1和u2使得在有限时间内ξ→ξd、p→pd和λ→λd假设执行器发生故障时，执行器缺失的控制能量是常数，ff和fb分别表示前后执行器缺失的控制能量。因此能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三自由度直升机的被动容错控制方法，其特征在于：直升机包括两个驱动电机，

【技术特征摘要】
1.一种三自由度直升机的被动容错控制方法，其特征在于：直升机包括两个驱动电机，其包括下列步骤：S101：建立三自由度直升机的动力学模型：模拟直升机的俯仰、升降、航向运动，分别对应着三个角度：俯仰角p、升降角ξ、航向角λ，建立三自由度直升机的动力学方程；S102：被动容错控制方案：直升机运行，设置升降角ξd和航向角λd的给定值，从而计算得到俯仰角pd的给定值，然后执行S103，S103：设计被动容错控制器：在电机发生故障时，调整电机使直升机在有限时间内ξ→ξd、p→pd；然后得到升降角ξ、航向角λ的被动容错输入值u1，计算得出俯仰角的被动容错输入值u2，然后控制使得p→pd。2.根据权利要求1所述的三自由度直升机的被动容错控制方法，其特征在于：步骤S101中，两个电机的动力学模型为：其中，Lh是每个电机到俯仰轴之间的距离；Jp是俯仰轴的转动惯量，其中Mh是直升机本体的质量；La是航向轴到直升机本体的距离；Tg是俯仰轴等效重力矩，Tg＝MhgLa-LwgLw；Je是升降轴的转动惯量，Lw是航向轴到平衡块的距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：周东华，杨其伟，卢晓，钟麦英，王友清，王建东，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37