一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，步骤：在测试评估前，分析待评估的无人机控制律的控制结构；选择测试信号参数以及测试信号注入点；选择信号采样点以及采样参数；利用采样数据求取输入信号的自功率谱和输入输出信号的互功率谱，得到系统开环频率响应，求取系统稳定裕度，判断无人机控制律的鲁棒性。本发明专利技术解决了在非线性环境中控制律鲁棒性难以评估的问题，由于考虑了非线性环节，相较于设计环节中利用线性化无人机模型评估控制律更加准确，更具有参考价值。

A robust evaluation method of UAV control law based on power spectrum

【技术实现步骤摘要】
一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法
本专利技术属于航空器飞行控制
，特别涉及了一种无人机控制律鲁棒性评估方法。
技术介绍
目前，随着无人机的不断发展，无人机飞行的环境也变得更为复杂，为保障飞行安全和提高飞行性能，先进的控制技术也不断应用到飞行控制系统中，飞行控制律的设计也趋于复杂，呈现多模态、多约束、多准则、高风险的特征。传统控制律分析和设计的流程：首先进行无人机对象建模和特性分析，选取相应配平点，对无人机模型进行线性化，然后根据线性化模型进行控制律设计，包括控制结构选择、控制律设计以及控制参数调整。由此可见，传统控制律设计是基于无人机线性化模型设计的。但往往出现这样一种情况，在设计阶段控制律具有较好的鲁棒性，在实际飞行过程中有可能表现出鲁棒性不足的情况，原因是无人机本质上是非线性系统，控制律在某些情况下具有一定的局限性。因此，设计一种评估无人机控制律在非线性环境中鲁棒性是否满足要求的方案具有重要的实际工程价值。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提到的技术问题，本专利技术提出了一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，包括以下步骤：(1)在测试评估前，分析待评估的无人机控制律的控制结构；(2)选择测试信号参数以及测试信号注入点；(3)选择信号采样点以及采样参数；(4)利用采样数据求取输入信号的自功率谱和输入输出信号的互功率谱，得到系统开环频率响应，求取系统稳定裕度，判断无人机控制律的鲁棒性。进一步地，在步骤(1)中，无人机控制律包括横向控制律和纵向控制律；横向控制律包括俯仰角控制内回路、高度变化率控制回路和高度控制回路；纵向控制律包括滚转角控制回路、航迹角控制回路、侧向速度控制回路和侧偏控制回路。进一步地，在步骤(2)中，所述测试信号采用M序列。进一步地，在步骤(2)中，所述测试信号参数包括测试信号的时钟频率、信号长度、幅值和周期个数。进一步地，在步骤(2)中，测试信号的时钟频率为系统截止频率的5～10倍；测试信号的信号长度大于系统的过渡时间；测试信号的幅值小于等于其最大值的5％；在测试允许范围内，测试信号的周期个数至少为3个。进一步地，在步骤(2)中，存在两种测试信号注入点，一种是在指令环节注入，另一种是在反馈信号环节注入；若测试的环节是无人机控制律的内回路，则需要断开相应的外回路。进一步地，在步骤(3)中，根据频率分辨率，选择采样间隔、采样点数和采样时间。进一步地，步骤(4)的具体过程如下：(401)确定求取功率谱的方法；(402)求取采样输入信号的自功率谱；(403)求取采样输入输出信号的互功率谱；(404)利用自功率谱和互功率谱，求取系统的开环频率响应，绘制Bode图，得到系统的稳定裕度，包括幅值裕度和相角裕度；(405)评估所测试的无人机控制律的鲁棒性。进一步地，在步骤(401)中，所述求取功率谱的方法包括BT法、周期图法和Welch法。进一步地，在步骤(405)中，当相角裕度大于60deg且小于120deg，且幅值裕度大于10dB时，所测试的无人机控制律满足鲁棒性要求。采用上述技术方案带来的有益效果：(1)本专利技术解决了在非线性环境中控制律鲁棒性难以评估的问题，由于考虑了非线性环节，相较于设计环节中利用线性化无人机模型评估控制律更加准确，更具有参考价值；(2)本专利技术能够适用于多种类型无人机控制律鲁棒性评估，且快速有效，在非线性环境下的评估结果有助于控制律设计参数调整，达到最优控制效果；(3)本专利技术为半物理仿真环境下评估控制律提供了可能，半物理仿真环境是利用实时仿真和真实传感器相结合模拟真实飞行环境，半物理仿真环境下对控制律的评估结果将更具有置信度。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是实施例中无人机控制律结构图；图3是实施例中线性模型下高度控制器指令回路Bode图；图4是实施例中周期为15的M序列发生器示意图；图5是实施例中指令环节注入测试信号示意图；图6是实施例中反馈环节环节注入测试信号示意图；图7是实施例中高度控制指令回路测试信号注入点与信号采集点示意图；图8是实施例中本专利技术测试的高度控制器指令回路Bode图；图9是实施例中高度变化率控制指令回路测试信号注入点与信号采集点示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术设计了一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，如图1所示，步骤如下：步骤1：在测试评估前，分析待评估的无人机控制律的控制结构；步骤2：为了激励出系统对不同频率指令信号的响应，选择测试信号参数以及测试信号注入点；步骤3：选择信号采样点以及采样参数；步骤4：利用采样数据求取输入信号的自功率谱和输入输出信号的互功率谱，得到系统开环频率响应，求取系统稳定裕度，判断无人机控制律的鲁棒性。在本实施例中，在步骤1中，无人机控制律分为纵向控制律和横向控制律，无人机控制律的横纵控制回路如图2所示。对纵向控制律结构细分，该无人机控制律纵向有三个控制回路，包括俯仰角控制内回路、高度变化率控制回路以及高度控制回路。对横向控制律结构细分，该无人机控制律横侧向有四个控制回路，包括滚转角控制回路、航迹角控制回路、侧向速度控制回路以及侧偏控制回路。本实施例只对纵向高度控制律评估，但实际评估过程中，控制律的各个控制环节都应该进行评估。在图2中，Hg、θg分别为高度、高度变化率、俯仰角给定，H、θ分别为高度、高度变化率、俯仰角信号，Yg、φg分别为侧偏距、侧向速度、航迹角、滚转角给定，Y、φ分别为侧偏距、侧向速度、航迹角、滚转角信号，为航迹角回路给出的滚转角给定，为侧向速度回路给出的滚转角给定，为空速给定，Vias为空速信号，δT、δE、δA、δR分别为发动机油门开度、升降舵、副翼舵和方向舵，Q、P、R分别为俯仰角速率、偏航角速率、滚转角速率。在本实施例中，在步骤2中，本专利技术的测试信号理论上应该是白噪声，但实际上白噪声存在一定缺陷，白噪声不易产生且受到时间、温度或其它环境变化的影响。所以，本专利技术采用M序列代替白噪声作为测试系统的输入信号，M序列在具有类似白噪声良好自相关特性的同时，在工程中较容易实现，且能够重复产生。在对测试信号选择时，需要对评估系统的截止频率和穿越频率有一个大致的了解。系统的截止频率和穿越频率可通过可以利用Matlab工具和线性化模型得到。如图3所示为线性模型下高度控制器指令回路Bode图，由图可知，截止频率和穿越频率大概在0.1rad/s～1rad/s。201：针对高度选择知截止频率和穿越频率，选择时钟周期为2s，即时钟频率为0.5Hz。202：M序列的信号长度由寄存器的长度决定。M序列的长度为N＝2n-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)在测试评估前，分析待评估的无人机控制律的控制结构；/n(2)选择测试信号参数以及测试信号注入点；/n(3)选择信号采样点以及采样参数；/n(4)利用采样数据求取输入信号的自功率谱和输入输出信号的互功率谱，得到系统开环频率响应，求取系统稳定裕度，判断无人机控制律的鲁棒性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在测试评估前，分析待评估的无人机控制律的控制结构；
(2)选择测试信号参数以及测试信号注入点；
(3)选择信号采样点以及采样参数；
(4)利用采样数据求取输入信号的自功率谱和输入输出信号的互功率谱，得到系统开环频率响应，求取系统稳定裕度，判断无人机控制律的鲁棒性。


2.根据权利要求1所述基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，其特征在于，在步骤(1)中，无人机控制律包括横向控制律和纵向控制律；纵向控制律包括俯仰角控制内回路、高度变化率控制回路和高度控制回路；横向控制律包括滚转角控制回路、航迹角控制回路、侧向速度控制回路和侧偏控制回路。


3.根据权利要求1所述基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述测试信号采用M序列。


4.根据权利要求1或3所述基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述测试信号参数包括测试信号的时钟频率、信号长度、幅值和周期个数。


5.根据权利要求4所述基于功率谱的无人机控制律鲁棒性评估方法，其特征在于，在步骤(2)中，测试信号的时钟频率为系统截止频率的5～10倍；测试信号的信号长度大于系统的过渡时间；测试信号的幅值小于等于其最大值的5％；在测试允许范围内，测试信号的周期个数至...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春涛，胡斌，程遵堃，苏子康，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32