一种无人直升机预设性能跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开一种无人直升机预设性能控制方法，包括以下步骤：1、将系统不确定性和执行器故障引入到无人直升机非线性系统模型中，同时采用误差转换函数方法将跟踪误差的不等式约束转换为等式问题处理；2、对1所建模型进行变换，采用神经网路方法对系统不确定性进行逼近；同时，构造辅助系统处理执行器失效故障问题，提高系统的容错能力；3、结合1和2技术，在反步法的框架下设计无人直升机鲁棒容错控制器，保证无人直升机系统在面临系统不确定性和执行器故障等复杂环境的情况下，系统跟踪误差能始终在设定的范围内变化。本发明专利技术鲁棒安全飞行控制方案，保证无人直升机的跟踪误差在系统不确定性和执行器故障等多个因素下能够收敛到设定的范围内。

【技术实现步骤摘要】
一种无人直升机预设性能跟踪控制方法
本专利技术属于飞行器鲁棒控制
，具体是一种无人直升机预设性能跟踪控制方法，该方法同时考虑系统不确定性和执行器故障的无人直升机安全飞行控制方法。
技术介绍
无人直升机是一种不载操作人员、利用机载传感器和自动控制系统自主执行给定任务或者通过无线电遥控设备发送遥控指令执行任务的飞行器。与固定翼无人机相比，无人直升机具有以下特点：(l)能够完成定点悬停、垂直起降、原地转弯、低空慢飞等功能；(2)不需要特定的机场和跑道，可以在野外恶劣环境下实现自由飞行。正是由于这些独特的优点，奠定了无人直升机举足轻重的军事作用和广阔的民用前景。在军事作战中，无人直升机可以携带多种武器如小型空地导弹等攻击地面、水面和空中的目标。同时，无人直升机在舰载机方面相对于固定翼无人机具有很大优势，由于其可以在较小的空间内垂直起降，非常适合舰艇的实际需要。在现代作战中，无人直升机不但能攻击临近海面飞行的敌方无人机，夺取超低空制空权，还可配合舰艇编队登陆，执行火力支援任务。在民用方面，无人直升机可以完成地形测绘、资源勘探、森林防火、空中摄影、农药喷洒等工作。当发生重大自然灾害后，可以执行救援搜寻任务以及灾区电力、桥梁、道路的检查。虽然无人直升机有如此巨大的应用前景，也得到了国内外众多科学机构的重视和研究，但由于其本身非线性强、动力学特性复杂、开环不稳定、欠驱动等固有特点，无人直升机控制系统设计仍面临诸多实际问题亟待探索和解决。首先，无人直升机广泛的军事和民用价值决定了其往往需要在海面、城区、山谷等不同的环境、不同气象条件下实施多种作业，这样就使得执行任务的环境信息常常是不完全透明的。同时，无人直升机本身多变量的特性以及在飞行过程中系统参数的变化会导致建模误差等不确定性问题的存在，若控制器不能及时应对这些问题，则会造成控制系统性能下降甚至出现失控。因此对建模误差等系统不确定性问题进行分析处理是无人直升机安全飞行的重要保证。其次，旋翼结构使得无人直升机系统中可活动部件较固定翼飞机明显增加，这也导致系统发生故障的概率较高，如旋翼的长时间高速旋转会造成控制增益的下降。此外，无人直升机特殊的军事定位需要其经常在复杂多变的环境下执行任务，这对系统性能提出了更高的要求，如要求系统的跟踪误差在设定的范围内变化。特别是对执行精确打击的无人直升机系统而言，高精度的性能要求对提高其任务完成率至关重要。但是，目前大多数关于无人直升机飞行控制的研究中，并未对上述典型问题进行综合分析和考虑。同时，参数变化、建模误差等不确定性等问题的耦合发生，更是给无人直升机飞行控制系统的设计带来了全新的挑战。基于此，针对军事中具有重要战略地位的无人直升机开展高质量飞行控制研究，综合分析威胁其飞行安全的各种因素，这对保证无人直升机在战场环境下的生存能力和任务完成具有重要的研究意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无人直升机预设性能控制方法，保证无人直升机的跟踪误差在系统不确定性和执行器故障等多个因素下能够收敛到设定的范围内。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下:一种无人直升机预设性能控制方法，具体分为以下步骤：(1)首先将系统不确定性和执行器故障引入到无人直升机非线性系统模型中，同时采用误差转换函数方法将跟踪误差的不等式约束转换为等式问题处理；(2)对步骤(1)所建模型进行变换，采用神经网路方法对系统不确定性进行逼近。同时，构造辅助系统处理执行器失效故障问题，提高系统的容错能力；(3)结合步骤(1)和步骤(2)技术，在反步法的框架下设计无人直升机鲁棒容错控制器，保证无人直升机系统在面临系统不确定性和执行器故障等复杂环境的情况下，系统跟踪误差能始终在设定的范围内变化。进一步的，在步骤(1)中，表示无人直升机垂直起降运动的姿态高度复合模型可以描述为：其中g表示重力加速度，m和Jf分别表示无人直升机的质量和转动惯量，Zg和wf代表无人直升机在垂直方向上的高度和速度，Λf＝[φ,θ,ψ]T表示姿态角向量(分别为滚转角，俯仰角和偏航角)，Ωf＝[p,q,r]T表示集体坐标系下的姿态角速率向量，Hf表示姿态变化矩阵，Tmr和Σf＝[Σxf,Σyf,Σzf]T分别为作用在无人直升机上的控制力和力矩。在步骤(1)中，无人直升机执行器失效故障可以建模为uf＝ρfu其中是待设计的控制输入向量，ρf＝diag{ρ1,ρ2,ρ3,ρ4}，ρi(i＝1,...,4)为第ith个执行器的未知剩余控制效率且满足0＜ρi≤1。定义结合(1)-(3)，同时考虑系统不确定性的影响，则无人直升机的高度和姿态组合动力学模型改写为如下形式：y＝Mf其中ΔF(Nf)表示系统总的不确定性，y为系统输出。在步骤(1)中，预设性能的目的是保证跟踪误差ey＝y-yd的暂态和稳态性能。如果跟踪误差ey始终在下面预先设定的范围内变化，其预设性能可被保证：-λf1iχfi(t)＜eyi＜λf2iχfi(t),i＝1,2,3,4其中ey＝[ey1,ey2,ey3,ey4]T，λf1i和λf2i是待设计的参数且满足λf1i∈(0,1]，λf2i∈(0,1]。χfi是性能函数。为了完成控制性能，采用如下的误差转换函数将不等式受限变为等式形式：其中βfi是转换误差变量，Q(·)是递增函数并具有如下性质：i)Q(·):(-λf1i,λf2i)→(-∞,∞),ii)在步骤(1)中，考虑到平滑函数Q(·)的递增特性，选择如下形式的误差变换函数βfi(i＝1,2,3,4)来保证eyi的预设性能：为了方便起见，令αi＝α(eyi(0)/χfi(0))。然后误差转换函数可以重写为对βi关于时间t求导可得其中定义βf＝[βf1,βf2,βf3,βf4]T，χf＝diag{χf1,χf2,χf3,χf4}和Πf＝diag{Πf1,Πf2,Πf3,Πf4}，可以得到考虑到ey＝y-yd和y＝Mf，上述等式可以进一步写为将转换后的误差动态方程与无人直升机姿态高度模型相结合，可以得到：在步骤(2)中，将复合无人直升机动态模型重写为其中If＝diag{1,1,1,1}，Uf1＝GfUf。在步骤(2)中，为处理执行器故障并补偿其负面影响，构造如下与系统具有相同维数的辅助系统：其中Pf1∈R4×4和Pf2∈R4×4为待设计的正定对称矩阵，ζf1∈R4和ζf2∈R4为辅助系统的内部状态。在步骤(2)中，采用如下形式的径向基神经网络对未知函数Lf1(ρf-If)Uf1进行逼近，其中为待设计的矩阵，W1*表示理想权值矩阵，为满足且c1＞0的高斯函数，为逼近误本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人直升机预设性能控制方法，其特征在于,具体包括以下步骤：/n(1)将系统不确定性和执行器故障引入到无人直升机非线性系统模型中，同时采用误差转换函数方法将跟踪误差的不等式约束转换为等式问题处理；/n(2)对步骤(1)所建模型进行变换，采用神经网路方法对系统不确定性进行逼近；同时，构造辅助系统处理执行器失效故障问题，提高系统的容错能力；/n(3)结合步骤(1)和步骤(2)技术，在反步法的框架下设计无人直升机鲁棒容错控制器，保证无人直升机系统在面临系统不确定性和执行器故障等复杂环境的情况下，系统跟踪误差能始终在设定的范围内变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人直升机预设性能控制方法，其特征在于,具体包括以下步骤：
(1)将系统不确定性和执行器故障引入到无人直升机非线性系统模型中，同时采用误差转换函数方法将跟踪误差的不等式约束转换为等式问题处理；
(2)对步骤(1)所建模型进行变换，采用神经网路方法对系统不...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎坤，陈超波，韩士成，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61