一种考虑探测任务约束的无人机边界保护控制方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑探测任务约束的无人机边界保护控制方法，属于无人机飞行控制技术领域，解决了现有技术中无人机在海域执行任务时的飞行稳定性低、飞行风险高和探测任务执行困难的问题。本发明专利技术的方法通过设置能够适用于海上环境作业和探测设备的无人机的自增稳控制律、无人机边界保护控制律、无人机的非线性动态逆控制律和比例积分补偿控制律实现对无人机的控制，使无人机在执行海域探测任务时，具有更高的飞行品质，同时提高了机上外挂特殊探测设备的保障能力，进而保障无人机高效、稳定执行探测任务。定执行探测任务。定执行探测任务。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑探测任务约束的无人机边界保护控制方法


[0001]本专利技术属于无人机飞行控制
，涉及一种考虑探测任务约束的无人机边界保护控制方法。

技术介绍

[0002]我国海域面积较大，海岸线长，在海域探测、监测、反潜等方面有很大需求。近年来，随着无人机技术的不断成熟，无人机在侦察、监视、测绘等方面的应用优势不断凸显。无人机能够搭载多种不同的海洋环境探测任务载荷，对各类海洋环境、气候和海上目标进行监测，具有探测区域广、时间长等特点，是获取海上数据的重要技术手段。
[0003]无人机在海域执行探测任务时，面临海域风浪等外部环境的影响，以及执行任务中无人机携带的特种探测设备的影响，都对无人机的环境适应性和飞行稳定性有更高的要求。目前，已经有大量针对无人机的环境适应性和飞行稳定性的研究，如：中国专利CN112486193B和CN111273678B。
[0004]通过海域飞行环境的特点进行无人机的飞行控制方法的设计，是提高无人机飞行安全性和保障探测任务高效的重要手段。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种考虑探测任务约束的无人机边界保护控制方法，以解决现有技术中无人机在海域执行任务时的飞行稳定性低、飞行风险高和探测任务执行困难的问题。
[0006]本专利技术提供的一种考虑探测任务约束的无人机边界保护控制方法，具体步骤如下：建立无人机的机体坐标系和气流坐标系；基于无人机的机体坐标系和气流坐标系建立无人机的平动动力学模型和转动动力学模型；无人机的平动动力学模型为：其中，V
X
、V
Y
和V
Z
分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴方向的速度；分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴方向的加速度；T
X
、T
Y
和T
Z
分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴的受到的发动机推力；F
X
、F
Y
和F
Z
分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴的受到的升力、阻力和侧力；p，q和r分别表示无人机的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度；g表示无人机的重力加速度，m表示无人机的质量；θ表示无人机的俯仰角；φ表示无人机的滚转角；无人机的转动动力学模型为：
其中，L、M和N分别表示无人机的滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩；I
X
、I
Y
和I
Z
分别表示无人机沿机体坐标系X轴、Y轴和Z轴方向的转动惯量；I
XZ
表示无人机沿机体坐标系上X轴和Z轴方向的惯性积；分别表示无人机的滚转角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度；基于无人机的平动动力学模型和转动动力学模型建立无人机的自增稳控制律、无人机的边界保护控制律、无人机的非线性动态逆控制律和无人机的比例积分补偿控制律；基于无人机的自增稳控制律、无人机边界保护控制律、无人机的非线性动态逆控制律和比例积分补偿控制律实现对无人机的控制。
[0007]可选地，无人机的自增稳控制律为：其中，δ
e
、δ
a
和δ
r
分别表示无人机的升降舵指令、副翼指令和方向舵指令；δ
eout
、δ
aour
和δ
rout
分别表示无人机的边界保护控制律的输出升降舵指令、输出副翼指令和输出方向舵指令；α为无人机的迎角；α0、V0、p0和r0分别表示无人机携带探测设备在执行任务阶段时无人机配平状态的迎角、速度、滚转角和偏航角；V表示无人机的飞行速度；K
q
、K
p
、K
r
、K
α
和K
V
均为自增稳定控制律的俯仰角速度通道、滚转角速度通道、偏航角速度通道、仰角通道和速度通道的增益。
[0008]可选地，无人机的边界保护控制律为：δ
out
= (K
P
△
+ K
I
△
1/S)K1+δ
c
K2=[δ
eout
δ
aour
δ
rout
]；其中，δ
eout
、δ
aour
和δ
rout
分别表示无人机的边界保护控制律的输出升降舵指令、输出副翼指令和输出方向舵指令；
△
为无人机边界保护控制律的输入误差，1/S为控制信号积分，K
P
和K
I
均为边界保护控制律的积分增益；δ
c
为内环动态逆控制律控制指令； K1和K2分别表示边界控制率的控制增益，其表达式分别为：K1=[K
11 K
12
]；K2=[K
21 K
22
]；式中，
其中，n为预设安全边界；θ
lim
为无人机的最大俯仰角；φ
lim
为无人机的最小滚转角。
[0009]可选地，根据无人机的探测设备的安装位置，设置无人机的最大俯仰角和最小滚转角；无人机的最大俯仰角为：其中，l为探测设备在机体坐标系下的X轴坐标，H为无人机的飞行高度，H
det
为探测设备的限制高度；无人机的最大滚转角为：其中，b为探测设备在机身坐标系下的Y轴坐标。
[0010]可选地，非线性动态逆控制律包括无人机的内环控制律和外环控制律。
[0011]可选地，无人机的内环控制律为：其中，δ
ac
、δ
ec
和δ
rc
分别表示无人机的内环控制律的输出副翼指令、升降舵指令和方向舵指令；x1=[θβμ pqr V]T
，β表示无人机的侧滑角，μ表示无人机的速度滚转角，V表示无人机的飞行速度；为x1对时间的求导；
ρ表示空气密度，S表示无人机有效升力面积，W表示无人机的翼展；C
Lδa
表示无人机的副翼舵偏的升力系数，C
Lδr
表示无人机的方向舵舵偏升力系数，C
Nδr
表示无人机的方向舵舵偏的偏航力矩系数，C
Nδa
表示无人机的副翼舵偏的偏航力矩系数，C
Mδe
表示无人机的升降舵舵偏的俯仰力矩系数；c表示无人机的平均气动弦长；g1‑1为g1的逆矩阵，。
[0012]可选地，无人机的外环控制律为：其中，p
c
、q
c
和r
c
分别为无人机的滚转角速度指令、俯仰角速度指令和偏航角速度指令；x2=[αβμ]T
，为x2对时间的求导；γ表示无人机的爬升角；T
YW
和T
ZW
分别表示无人机沿气流坐标系上的Y
W
轴和Z
W
轴受到的发动机推力；F
YW
和F
ZW<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑探测任务约束的无人机边界保护控制方法，其特征在于，具体步骤如下：建立无人机的机体坐标系和气流坐标系；基于无人机的机体坐标系和气流坐标系建立无人机的平动动力学模型和转动动力学模型；无人机的平动动力学模型为：其中，V
X
、V
Y
和V
Z
分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴方向的速度；分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴方向的加速度；T
X
、T
Y
和T
Z
分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴的受到的发动机推力；F
X
、F
Y
和F
Z
分别表示无人机沿机体坐标系上X轴、Y轴和Z轴的受到的升力、阻力和侧力；p，q和r分别表示无人机的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度；g表示无人机的重力加速度，m表示无人机的质量；θ表示无人机的俯仰角；φ表示无人机的滚转角；无人机的转动动力学模型为：其中，L、M和N分别表示无人机的滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩；I
X
、I
Y
和I
Z
分别表示无人机沿机体坐标系X轴、Y轴和Z轴方向的转动惯量；I
XZ
表示无人机沿机体坐标系上X轴和Z轴方向的惯性积；分别表示无人机的滚转角加速度、俯仰角加速度和偏航角加速度；基于无人机的平动动力学模型和转动动力学模型建立无人机的自增稳控制律、无人机的边界保护控制律、无人机的非线性动态逆控制律和无人机的比例积分补偿控制律；基于无人机的自增稳控制律、无人机边界保护控制律、无人机的非线性动态逆控制律和比例积分补偿控制律实现对无人机的控制。2.根据权利要求1所述的无人机边界保护控制方法，其特征在于，无人机的自增稳控制律为：其中，δ
e
、δ
a
和δ
r
分别表示无人机的升降舵指令、副翼指令和方向舵指令；δ
eout
、δ
aour
和
δ
rout
分别表示无人机的边界保护控制律的输出升降舵指令、输出副翼指令和输出方向舵指令；α为无人机的迎角；α0、V0、p0和r0分别表示无人机携带探测设备在执行任务阶段时无人机配平状态的迎角、速度、滚转角和偏航角；V表示无人机的飞行速度；K
q
、K
p
、K
r
、K
α
和K
V
均为自增稳定控制律的俯仰角速度通道、滚转角速度通道、偏航角速度通道、仰角通道和速度通道的增益。3.根据权利要求2所述的无人机边界保护控制方法，其特征在于，无人机的边界保护控制律为：δ
out
= (K
P
△
+ K
I
△
1/S)K1+δ
c
K2=[δ
eout
δ
aour
δ
rout
]；其中，δ
eout
、δ
aour
和δ
rout
分别表示无人机的边界保护控制律的输出升降舵指令、输出副翼指令和输出方向舵指令；
△
为无人机边界保护控制律的输入误差，1/S为控制信号积分，K
P
和K
I

【专利技术属性】
技术研发人员：阚梓，李道春，王永志，邵浩原，姚卓尔，姜运，向锦武，
申请(专利权)人：彩虹无人机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：