一种受扰小型无人直升机的复合主动抗干扰轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种受扰小型无人直升机的复合主动抗干扰轨迹跟踪控制方法。该发明专利技术基于非线性干扰观测器和块状反步控制技术，首先，建立无人直升机系统带有集总干扰的6自由度刚体模型，并将其分解为三个耦合相对较小的子系统；其次，分别针对三个子系统，设计非线性干扰观测器估计集总干扰；第三，将块状反步控制技术和干扰估计量相结合，设计前馈‑反馈复合抗干扰轨迹跟踪控制器；最后，通过选取合适的观测器和反馈控制器增益，可使无人直升机精确跟踪期望的位置和偏航角。本发明专利技术形式简单，降低了现有跟踪控制技术的复杂度，能实现复杂干扰环境下小型无人直升机的精确轨迹跟踪，同时有效提升了系统的抗干扰性能。

A compound active anti-jamming trajectory tracking control method for small unmanned helicopter

【技术实现步骤摘要】
一种受扰小型无人直升机的复合主动抗干扰轨迹跟踪控制方法
本专利技术涉及一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，属于无人飞行器飞行控制的

技术介绍
在各种各样的无人飞行器中，无人直升机具有垂直起降，悬停，超低空和低速飞行，能在狭小、复杂和未知的环境中飞行等突出优势。由于这些显著的优势，无人直升机在军用和民用领域均具有广泛的应用前景，并且逐渐吸引了众多研究者的关注。然而，无人直升机系统是一个典型的强耦合、多输入多输出、静不稳定的非线性系统，同时还在飞行时还容易受到模型参数不确定、未建模动态等内部干扰和复杂外部环境干扰的影响，这给其飞行控制设计带来了很大的困难，其设计难度具体表现为：1)无人直升机系统的高度非线性。由于其空气动力学特性的复杂性，无人直升机系统具有很强的非线性，这给建立一个能精确描述系统特性且适于控制设计的系统模型带来了很大困难。2)无人直升机系统具有强耦合性。直升机具有四个直接控制量，它们对直升机的飞行方向、速度、姿态等六个自由度都产生控制作用，且四个控制量之间也有明显的耦合作用，这给控制设计带来了挑战。3)无人直升机系统严重地受到干扰的影响。无人直升机系统受到的干扰包括，内部干扰：飞行条件变化、质量、转动惯量变化等导致的系统参数不确定问题，系统内部未建模动态引起的内部不确定问题；外部干扰：未知的阵风、气流影响，地面效应影响等。这些干扰因素都使得设计一个可靠的、高性能的飞行控制方法非常具有挑战性。由于上述无人直升机飞行控制问题的困难性，传统的线性控制策略(比如PID控制、线性二次型调节器等)往往难以获得令人满意的控制性能，因此，一些非线性控制方法被应用于无人直升机飞行控制中，比如自适应控制，H控制，模型预测控制等。但是上述这些控制方法对于受扰无人直升机系统的控制效果并不令人满意。文献(S.E.Ferik,A.H.Syed,H.M.Omar,M.A.Deriche,Nonlinearforwardpathtrackingcontrollerforhelicopterwithslungload[J].AerospaceScienceandTechnology,2017,69:602-608)提出了基于反步法的直升机轨迹跟踪控制方案，但是它属于反馈控制的范畴，是一种基于鲁棒思想设计的控制方法，以牺牲系统标称控制性能为前提来抑制干扰，而未对干扰实行直接和快速的抑制。此外，该文对无人直升机的每个一阶子系统均进行了反步递归设计，所设计的控制器结构较为复杂。文献(J.Hu,J.Huang,Z.Gao,H.Gu,Positiontrackingcontrolofahelicopteringroundeffectusingnonlineardisturbanceobserver-basedincrementalbacksteppingapproach[J].AerospaceScienceandTechnology,2018,81:167-17.)设计了一种基于非线性干扰观测器的增量式反步位置跟踪控制器，由干扰观测器提供的干扰估计量可以主动补偿干扰的影响，提高了系统的抗干扰性能，使得系统输出在常值干扰或慢变干扰影响时，能无静差地跟踪参考信号。然而，由于所使用的干扰观测器存在局限性，难以对快变干扰(比如正弦干扰和高阶多项式干扰等)进行精确估计，使得所设计的控制器在系统受到快变干扰时，最多只能使闭环跟踪误差收敛到一个有界的范围内，甚至发散。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对小型无人直升机系统强耦合、多输入多输出、非线性强、参数快时变、受复杂外部干扰影响的特点，提出一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提出一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，步骤包括：步骤一、将内部干扰和直升机所受的复杂外部环境干扰当作集总干扰，建立无人直升机系统6自由度刚体模型，所述内部干扰包括未确定系统参数、未建模动态；步骤二、将步骤一所述无人直升机系统6自由度刚体模型分解为三个子系统，包括一个二阶的高度子系统，一个二阶的偏航子系统和一个二维四阶的水平子系统；步骤三、针对步骤二所述的三个子系统中的6个集总干扰，分别构造非线性干扰观测器来对其进行估计，获得干扰估计量；步骤四、利用所述干扰估计量，基于块状反步控制技术设计复合抗干扰轨迹跟踪控制器，用于对所述三个子系统分别进行补偿，同时对飞行轨迹进行实时跟踪。如前所述的一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，进一步地：所述步骤一中简化的无人直升机6自由度刚体模型如下：其中，P＝[x,y,z]T和V＝[u,v,w]T分别表示无人直升机在惯性坐标系下的位置和速度，是用于描述直升机姿态的三个欧拉角，Ω＝[p,q,r]T代表无人直升机在机体坐标系下的角速度，g代表重力加速度，e3＝[001]T；J＝diag{Jxx,Jyy,Jzz}为无人直升机在机体坐标系下的对角惯性矩阵，其中Jxx、Jyy、Jzz为转动惯量；U＝[δcol,δlon,δlat,δped]T代表四个控制量输入，分别为主旋翼总距控制输入δcol、纵向周期变距控制输入δlon、横向周期变距控制输入δlat、尾翼总距控制输入δped；Zw、Zcol为系统参数，dV＝[du,dv,dw]T和dΩ＝[dp,dq,dr]T分别表示作用在直升机上的集总力和力矩干扰，表示从机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，其中St、Ct、Tt分别表示三角函数sin(t)、cos(t)、tan(t)；为姿态向量变换矩阵；A和B为常系数矩阵，Y为系统的输出。如前所述的一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，进一步地：所述步骤二中的三个子系统为：高度子系统：偏航子系统：水平子系统：其中，P1＝[x,y]T，V1＝[u,v]T，R1＝[r1,3,r2,3]T，Ω1＝[p,q]T，U1＝[δlon,δlat]T，A1和B1为常系数矩阵，ri,j代表R(Θ)矩阵中的第i行j列元素。如前所述的一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，进一步地：所述步骤三中的非线性干扰观测器为如下形式：将干扰重新记为d1＝dw、d2＝dr、d3＝du、d4＝dv、d5＝dp、d6＝dq，并假设干扰由以下系统产生其中，i＝1,2,…6，Ai、Ci分别为维数为mi×mi、ri×mi的系数矩阵，(Ai,Ci)可观；对应干扰di(i＝1,3,4)的非线性干扰观测器如下：其中，i＝1,3,4，分别为Xi,1、Xi,2、ζi的估计值，X1,1＝z、X3,1＝x、X4,1＝y，X1,2＝w、X3,2＝u、X4,2＝v；h1＝r3,3(-g+Zww+Zcolδcol)、[h3,h4]T＝R1(-g+Zww+Zcolδcol)，αi,1、αi,2、αi,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤包括：/n步骤一、将内部干扰和直升机所受的复杂外部环境干扰当作集总干扰，建立无人直升机系统6自由度刚体模型，所述内部干扰包括未确定系统参数、未建模动态；/n步骤二、将步骤一所述无人直升机系统6自由度刚体模型分解为三个子系统，包括一个二阶的高度子系统，一个二阶的偏航子系统和一个二维四阶的水平子系统；/n步骤三、针对步骤二所述的三个子系统中的6个集总干扰，分别构造非线性干扰观测器来对其进行估计，获得干扰估计量；/n步骤四、利用所述干扰估计量，基于块状反步控制技术设计复合抗干扰轨迹跟踪控制器，用于对所述三个子系统分别进行补偿，同时对飞行轨迹进行实时跟踪。/n

【技术特征摘要】
1.一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，其特征在于，步骤包括：
步骤一、将内部干扰和直升机所受的复杂外部环境干扰当作集总干扰，建立无人直升机系统6自由度刚体模型，所述内部干扰包括未确定系统参数、未建模动态；
步骤二、将步骤一所述无人直升机系统6自由度刚体模型分解为三个子系统，包括一个二阶的高度子系统，一个二阶的偏航子系统和一个二维四阶的水平子系统；
步骤三、针对步骤二所述的三个子系统中的6个集总干扰，分别构造非线性干扰观测器来对其进行估计，获得干扰估计量；
步骤四、利用所述干扰估计量，基于块状反步控制技术设计复合抗干扰轨迹跟踪控制器，用于对所述三个子系统分别进行补偿，同时对飞行轨迹进行实时跟踪。


2.根据权利要求1所述的一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤一中简化的无人直升机6自由度刚体模型如下：



其中，P＝[x,y,z]T和V＝[u,v,w]T分别表示无人直升机在惯性坐标系下的位置和速度，是用于描述直升机姿态的三个欧拉角，Ω＝[p,q,r]T代表无人直升机在机体坐标系下的角速度，g代表重力加速度，e3＝[001]T；J＝diag{Jxx,Jyy,Jzz}为无人直升机在机体坐标系下的对角惯性矩阵，其中Jxx、Jyy、Jzz为转动惯量；U＝[δcol,δlon,δlat,δped]T代表四个控制量输入，分别为主旋翼总距控制输入δcol、纵向周期变距控制输入δlon、横向周期变距控制输入δlat、尾翼总距控制输入δped；Zw、Zcol为系统参数，dV＝[du,dv,dw]T和dΩ＝[dp,dq,dr]T分别表示作用在直升机上的集总力和力矩干扰，表示从机体坐标系到惯性坐标系的旋转矩阵，其中St、Ct、Tt分别表示三角函数sin(t)、cos(t)、tan(t)；为姿态向量变换矩阵；A和B为常系数矩阵，Y为系统的输出。


3.根据权利要求1所述的一种受扰小型无人直升机的复合主动复合抗干扰轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤二中的三个子系统为：
高度子系统：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王翔宇，于欣，李世华，杨俊，刘基玉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32