一种新的旋翼无人机控制方法技术

本发明专利技术属于旋翼无人机控制方法。本发明专利技术的主要目的在，对旋翼无人机的控制中，提出了状态阻尼控制，用于控制RUAV的姿态。在充分考虑RUAV质量不对称性的基础上，建立了RUAV非线性动力学模型，结合状态阻尼控制得到控制律。本发明专利技术的有益效果为，为旋翼无人机的控制提出了一种新的控制方法，即在控制中引入了状态阻尼控制，从而实现控制精度高、鲁棒性好。

【技术实现步骤摘要】
一种新的旋翼无人机控制方法
本专利技术属于旋翼无人机控制方法。
技术介绍
无人机(UAV)已经成为一个热词，不仅是展现一个国家军事实力的方式，也逐渐成为人们记录生活、享受生活的载体。旋翼无人机由于其操作简单、可垂直起降、悬停性能好，在民用领域比固定翼无人机占据更加广阔的市场。PID控制器因其算法简单，不依赖于系统模型，在旋翼无人机控制中应用最为成功且最为广泛。旋翼无人机(RUAV)质量轻，搭载微控计算机计算能力有限，具有强耦合的非线性动力学学特性，精细建模困难。RUAV控制对于算法的要求主要包括三个方面：鲁棒性好、控制精度高、算法简单。PID算法简单，能够满足一般的RUAV控制要求,可是在复杂环境或者质量变化的情况下其鲁棒性有待提高。对于单个RUAV控制的研究，目前主要集中在控制精度和鲁棒性的提升上，而在致力于使算法简单，便于实现上研究甚少。滑模控制在RUAV控制中的应用是一个研究热点，它用于控制非线性系统具有极好的鲁棒性，能够适应RUAV本身和环境的不确定性。“DEFOORTM,FLOQUETT,KOKOSYA,etal.Anovelhigherorderslidingmodecontrolscheme[J].Systems&ControlLetters,2009,58(2):102-8”提出了一种高阶滑模控制方法，使用该方法系统抵抗不确定性的鲁棒性能够被保证，参数设计也可以通过理论计算。然而如果将该方法用于RUAV控制面临两个困难：需要在确切数学模型已知的情况下进行参数公式化设计，而RUAV许多固定的参数通常是难以获得的；控制律计算涉及到众多复杂矩阵、分式幂、导数运算，计算量过大，难以在嵌入式系统中实时实现。“PEROZZIG,EFIMOVD,BIANNICJM,etal.Trajectorytrackingforaquadrotorunderwindperturbations:slidingmodecontrolwithstate-dependentgains[J].JournaloftheFranklinInstitute-EngineeringandAppliedMathematics,2018,355(12):4809-38”在考虑风场扰动和转子动态特性的基础上设计了四旋翼无人机一阶滑模控制和准连续高阶滑模控制器，并且通过仿真证明了其有效性。然而该研究中没有考虑RUAV质量的不对称性，而且只是在悬停模式将模型大大简化来设计控制率，即便这样简化之后所设计的控制律依然很复杂。“WANGR,LIUJ.Adaptiveformationcontrolofquadrotorunmannedaerialvehicleswithboundedcontrolthrust[J].ChineseJournalofAeronautics,2017,30(2):807-17”、“ALIZA,WANGDB,AAMIRM.Fuzzy-BasedHybridControlAlgorithmfortheStabilizationofaTri-RotorUAV[J].Sensors,2016,16(5)”模型参考自适应控制利用参考模型和真实系统状态误差或输出误差，通过自适应机构生成参数调节信号或者辅助控制信号，能够使系统能够适应自身或者环境的变化。在RUAV的控制中，模型参考自适应极大的提高了RUAV的鲁棒性，特别是当系统发生严重错误，如桨叶损坏、电机故障，还能够保证一定的飞行能力。“I.Sadeghzadeh,A.Mehta,andY.Zhang,“Fault/damagetolerantcontrolofaquadrotorhelicopterUAVusingmodelreferenceadaptivecontrolandgain-scheduledPID,”inProc.AIAAGuid.,Navigat.,ControlConf.,Portland,OR,2011,pp.1–20”使用MIT规则设计了高度通道模型参考自适应系统，该设计只考虑高度通道的自适应，因而算法较为简单。MIT规则并不能保证所设计的系统是稳定的，为从理论上说明系统是稳定还需使用控制理论的稳定性判据分析。如果要在RUAV的姿态和高度都设计成自适应控制，那么MIT规则将不再适用。“DYDEKZT,ANNASWAMYAM,LAVRETSKYE.AdaptiveControlofQuadrotorUAVs:ADesignTradeStudyWithFlightEvaluations[J].IeeeTransactionsonControlSystemsTechnology,2013,21(4):1400-6”使用李雅普诺夫稳定性理论设计了四旋翼无人机高度和姿态模型参考自适应控制系统，实现了RUAV控制系统强大的容错能力。该系统的设计存在两个主要的局限性：假设了系统处于悬停的小角度模式，适应的实际场合狭隘；使用了地面辅助计算机进行自适应控制的计算，不能实际野外飞行。“ZEGHLACHES,MEKKIH,BOUGUERRAA,etal.ActuatorfaulttolerantcontrolusingadaptiveRBFNNfuzzyslidingmodecontrollerforcoaxialoctorotorUAV[J].ISAtransactions,2018”使用人工神经网络，设计了模糊自适应滑模控制器用于控制八旋翼无人机，从仿真结果来看控制效果非常好。然而存在的局限性就是算法复杂，难以在嵌入式系统上实现。上述RUAV控制方法都存在计算复杂，难以在嵌入式系统实现的问题。而且在理论分析过程中，使用的RUAV数学模型作了过强的假设，与实际情况有出入。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述问题，提出一种简单，鲁棒性优良的控制方法，并且充分从实际情况出发。本专利技术的技术方案为：一种新的旋翼无人机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立旋翼无人机状态空间模型，具体包括：S11、建立坐标系：1)地心惯性系i系：原点与地球质心重合，x轴的方向从地球质心指向春分点，z轴指向协议地理北极，x、y、z轴构成右手螺旋关系；2)导航坐标系n系：原点位于载体质心，x轴指向东向，y指向北向，z轴指向天向；3)载体坐标系b系：原点位于载体质心，y指向前进方向，x轴指向前进方向右侧，x、y、z轴构成右手螺旋关系；S12、采用欧拉角法对无人机姿态进行描述，即用三个欧拉角来描述：偏航角Y、俯仰角P、滚转角R；定义姿态微分方程为：其中，[ωxωyωz]T为无人机在惯性空间转动的角速度在b系中的投影，角速度通过陀螺仪测量；S13、根据动量定理和姿态微分方程，建立旋翼无人机状态空间模型为：其中，Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz为载体在惯性坐标系中所受到的合力在b系中各个轴向的投影，转动惯量矩阵J是一个常量，b系中的转动惯量矩阵为：[vxvyvzωxωyωz]T代表选取的状态变量，表示载体速度和角速度在b系中各个轴向的投影；S2、设定只考虑姿态控制，即选取旋翼无人机状态空间模型中角速度方程为被控制对象的数学模型，记为S系统，S的输出值为偏航角、俯仰角、滚转角：S状态方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新的旋翼无人机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立旋翼无人机状态空间模型，具体包括：S11、建立坐标系：1)地心惯性系i系：原点与地球质心重合，x轴的方向从地球质心指向春分点，z轴指向协议地理北极，x、y、z轴构成右手螺旋关系；2)导航坐标系n系：原点位于载体质心，x轴指向东向，y指向北向，z轴指向天向；3)载体坐标系b系：原点位于载体质心，y指向前进方向，x轴指向前进方向右侧，x、y、z轴构成右手螺旋关系；S12、采用欧拉角法对无人机姿态进行描述，即用三个欧拉角来描述：偏航角Y、俯仰角P、滚转角R；定义姿态微分方程为：

【技术特征摘要】
1.一种新的旋翼无人机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立旋翼无人机状态空间模型，具体包括：S11、建立坐标系：1)地心惯性系i系：原点与地球质心重合，x轴的方向从地球质心指向春分点，z轴指向协议地理北极，x、y、z轴构成右手螺旋关系；2)导航坐标系n系：原点位于载体质心，x轴指向东向，y指向北向，z轴指向天向；3)载体坐标系b系：原点位于载体质心，y指向前进方向，x轴指向前进方向右侧，x、y、z轴构成右手螺旋关系；S12、采用欧拉角法对无人机姿态进行描述，即用三个欧拉角来描述：偏航角Y、俯仰角P、滚转角R；定义姿态微分方程为：其中，[ωxωyωz]T为无人机在惯性空间转动的角速度在b系中的投影，角速度通过陀螺仪测量；S13、根据动量定理和姿态微分方程，建立旋翼无人机状态空间模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凌浩，王胜，梁晖辉，常晓青，曾奕，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51