一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法及系统技术方案

本公开提供一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法及系统，涉及飞行控制领域，本发明专利技术相比于传统的PID控制器(Proportion Integration Differentiation，比例

【技术实现步骤摘要】
一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法及系统


[0001]本专利技术涉及飞行控制领域，尤其涉及一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，无人机巡检作为一种新兴的巡检手段已经在油气管道巡检中崭露头角。尤其是垂直起降无人机，与固定翼无人机不同，不需要跑道和回收装置，续航时间长，在长输管道的巡检中表现尤为突出，通过搭载多种设备(高清相机，双光吊舱，激光甲烷遥测仪等)及时捕获管道周边的环境情况并反馈到管理人员进行处理。
[0003]目前山地油气管道，地势起伏大，地质灾害频发，人工巡检往往难以到达，且山地往往乱流较多，对无人机巡检也带来挑战，甚至威胁飞行安全。常用的线性控制算法不能满足飞行鲁棒性的需求。

技术实现思路

[0004]根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，能够解决常用的线性控制算法不能满足飞行鲁棒性的需求的问题。
[0005]本专利技术提供的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，该方法包括步骤如下：
[0006]步骤1建立垂直起降固定翼无人机巡航模式下的姿态控制的数学模型；设置期望姿态角，获取得无人机姿态角向量和角速度向量为姿态角控制器的输入；
[0007]步骤2基于动态逆控制器对无人机姿态角回路控制设计，得到姿态角速度的期望值X
2c
；
[0008]步骤3基于所述姿态角速度的期望值X
2c
、动态逆控制器、干扰观测器设计无人机角速度回路控制器，从而实现对无人机飞行控制。
[0009]优选地，步骤1建立垂直起降固定翼无人机巡航模式下的姿态控制的数学模型为：
[0010][0011]其中，状态量X1＝[φ,θ,ψ]T
为无人机姿态角向量，θ、ψ分别为滚转角、俯仰角和偏航角；R为状态矩阵，T为转置符号
[0012][0013]状态量X2＝[p,q,r]T
为角速度向量，p为滚转角速度、q为俯仰角速度、r为偏航角速度、俯仰角速度和偏航角速度；T为转置符号；f为已知的向量；向量d＝[d
l
,d
m
,d
n
]T
为气动力参数的不精确以及飞行过程中风扰引起的不确定性；
[0014]该控制输入向量u＝[l,m,n]T
，l、m、n分别表示为滚转力矩、俯仰力矩以及偏航力矩；T为转置符号。
[0015]优选地，状态矩阵R表达式为，
[0016][0017]优选地，向量f为：
[0018][0019]其中，I
x
表示为X轴方向无人机转动惯量，I
y
表示表示为Y轴方向无人机转动惯量，I
z
表示Z轴方向的表示为x轴方向无人机转动惯量，，通过测量和估算得到；p、q、r分别为滚转角速度；
[0020]优选地，转动惯量矩阵J为：
[0021][0022]优选地，步骤2基于动态逆控制器对无人机姿态角回路控制设计，得到姿态角速度的期望值X
2c
；姿态角速度的期望值X
2c
为：
[0023]X
2c
＝R
‑1w
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0024]姿态角控制回路动态逆控制中间向量w为：
[0025][0026]其中，X
1c
＝[φ
c
,θ
c
,ψ
c
]T
为期望的姿态角，其中期望的滚转角φ
c
、俯仰角θ
c
和偏航角ψ
c
，由外界输入；k
p1
为滚转角速度比例控制系数、k
q1
为俯仰角速度比例控制系数、k
r1
为偏航角速度比例控制系数；。
[0027]优选地，偏航角的角速度为
[0028][0029]其中，V为空速，g为重力加速度。
[0030]优选地，步骤3基于姿态角速度的期望值X
2c
、动态逆控制器、干扰观测器设计无人机角速度回路控制器，是指为补偿姿态角速度模型中不确定性的影响，设计干扰观测器，所述干扰观测器公式如下：
[0031][0032]其中，变量Z1，Z2，Z3是状态量X2、不确定性d、不确定性的导数的估计值，λ1，λ2，λ3和L为观测器参数，V1、V2是干扰观测器的中间变量。
[0033]优选地，干扰观测器不确定性d的估计值Z2，所述非线性动态逆控制器设计姿态角速度控制输入u为：
[0034]u＝g
‑1(v
‑
f
‑
Z2)
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0035][0036]其中，g为重力加速度；v为姿态角动态逆控制中间向量；f为已知向量；Z2为姿态角速度控制回路中干扰的预估值；X
2c
＝[p
c
,q
c
,r
c
]T
为期望的角速度，期望的滚转角速度p
c
、期望的俯仰角速度q
c
和期望的偏航角速度r
c
由外环的姿态角控制器产生，k
p2
，k
q2
，k
r2
为姿态角速度控制回路比例控制系数。
[0037]本专利技术提供的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，本专利技术相比于传统的PID控制器(Proportion Integration Differentiation，比例
‑
积分
‑
微分控制器)，采用的动态逆控制律来进行系统的线性化和解耦，对固定翼无人机大迎角机动起到良好的控制效果。此外干扰观测器的引入能有效的估计由于风扰以及模型的不确定性带来的总扰动，补偿到动态逆控制器中，提高系统的鲁棒性；考虑了系统的非线性特性，能很好解决常用的线性控制算法不能满足飞行鲁棒性的需求的问题。
[0038]本专利技术实施例提供的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法根据本专利技术实施例的第二方面，提供一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的系统，该系统包括；
[0039]一种山地油气管道巡检无人机的飞行控制系统，该系统包括姿态角控制器、角速度控制器、干扰控制器、状态反馈模块、期望姿态角模块；
[0040]其中，姿态角控制器，是基于动态逆控制器无人机姿态角回路控制设计，得到姿态角速度的期望值X
2c
；
[0041]其中，角速度控制器，是基于姿态角速度的期望值X
2c
、动态逆控制器、干扰观测器获得无人机角速度回路控制器，从而得到对无人机角速度控制器；
[0042]该干扰控制器，是为了补偿所述姿态角速度模型中不确定性的影响，设计观测器；
[0043]其中，状态反馈模块，用于获取无人机姿态角向量和角速度向量；
[0044]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，应用于无人机，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1建立垂直起降固定翼无人机巡航模式下的姿态控制的数学模型；设置期望姿态角，获取得无人机姿态角向量和角速度向量为姿态角控制器的输入；步骤2基于动态逆控制器对无人机姿态角回路控制设计，得到姿态角速度的期望值X
2c
；步骤3基于所述姿态角速度的期望值X
2c
、所述动态逆控制器、干扰观测器获得无人机角速度回路控制器，从而得到无人机角速度控制器。2.根据权利要求1的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，其特征在于，所述步骤1建立垂直起降固定翼无人机巡航模式下的姿态控制的数学模型为：其中，状态量X1＝[φ,θ,ψ]
T
为无人机姿态角向量，θ、ψ分别为滚转角、俯仰角和偏航角，R为状态矩阵，T为转置符号；状态量X2＝[p,q,r]
T
为角速度向量，p为滚转角速度、q为俯仰角速度、r为偏航角速度；T为转置符号；f为已知的向量；向量d＝[d
l
,d
m
,d
n
]
T
为气动力参数的不精确以及飞行过程中风扰引起的不确定性；所述控制输入向量u＝[l,m,n]
T
，其中，l表示为滚转力矩、m表示为俯仰力矩、n表示为偏航力矩；T表示为转置符号。3.根据权利要求2所述的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，其特征在于，所述状态矩阵R表达式为，所述向量f为：其中，I
x
表示为X轴方向无人机转动惯量，I
y
表示表示为Y轴方向无人机转动惯量，I
z
表示Z轴方向的表示为x轴方向无人机转动惯量，通过测量和估算得到；所述转动惯量矩阵J为：4.根据权利要求1所述的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，其特征在于，
所述步骤2基于动态逆控制器对无人机姿态角回路控制设计，，得到姿态角速度的期望值X
2c
；所述姿态角速度的期望值X
2c
为：X
2c
＝R
‑1w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)姿态角控制回路动态逆控制中间向量w为：其中，X
1c
＝[φ
c
,θ
c
,ψ
c
]
T
为期望的姿态角，其中期望的滚转角φ
c
、俯仰角θ
c
和偏航角ψ
c
，由外界输入；k
p1
为滚转角速度比例控制系数、k
q1
为俯仰角速度比例控制系数、k
r1
为偏航角速度比例控制系数。5.根据权利要求4所述的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，其特征在于，所述偏航角的角速度为：其中，V为空速，g为重力加速度。6.根据权利要求1所述的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，其特征在于，所述步骤3基于所述姿态角速度的期望值X
2c
、动态逆控制器、干扰观测器获得无人机角速度回路控制器，是指为补偿姿态角速度模型中不确定性的影响，设计干扰观测器，所述干扰观测器公式如下：其中，变量Z1，Z2，Z3是状态量X2、不确定性d、不确定性的导数d的估计值，λ1，λ2，λ3和L为观测器参数，V1、V2是干扰观测器的中间变量。7.根据权利要求6所述的一种山地油气管道巡检无人机飞行控制的方法，其特征在于，所述干扰观测器不确定性d的估计值Z2，所述非线性动态逆控制器设计姿态角速度控制输入u为：u＝g
‑1(v
‑
f
‑
Z2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)其中，g为重力加速度；v为姿态角动态逆控制中间向量；f为已知向量；Z2为姿态角速度控制回路中干扰的预估值；X
2c
＝[p
c
,q
c
,r
c
]
T
为期望的角速度，期望的滚转角速度p
c
、期望的俯仰角速度q
c
和期望的偏航角速度r
c
由外环的姿态角控制器产生，k
p1
为滚转角速度比例控制系数、k
q1
为俯仰角速度比例控制系数、k
r1
为偏航角速度比例控制系数。
8.一种山地油气管道巡检无人机的飞行控制系统，其特征在于，所述系统包括姿态角控制器、角速度控制器、干扰观测器、状态反馈...

【专利技术属性】
技术研发人员：高杰，陈露露，院金彪，
申请(专利权)人：西安万飞控制科技有限公司，
类型：发明
国别省市：