一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法技术

本发明专利技术公开了一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，包括：确定无人机的期望飞行空速和期望飞行高度；设计期望高度变化率，通过期望高度变化率以及期望飞行空速，计算得到期望航迹倾角；通过期望飞行空速和期望航迹倾角，计算得到对应的配平迎角和期望姿态角；根据配平迎角与实际迎角偏差，基于增量非线性动态逆方法设计推力

【技术实现步骤摘要】
一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机控制
，具体是一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法。

技术介绍

[0002]自主起降是无人机研制过程中的关键技术环节之一，对于巡航速度较高的固定翼无人机尤为重要。相比着陆过程，起飞过程安全性相对较高，若采用轮式起落架，其关键技术在于滑跑纠偏，通过地面测试即可完成技术验证。而着陆过程涉及无人机本体姿态稳定控制，高度、下沉率精确控制，及滑跑减速控制等过程，复杂度高，风险较大。其中，着陆速度是影响安全性的重要因素之一。目前，大迎角着陆成为有效降低着陆速度的技术方案，已在各国展开深入研究。此外，着陆前的高度和速度精确控制，同样至关重要。
[0003]大迎角飞行的关键点在于姿态稳定和迎角保持。其中，姿态稳定特指大迎角状态下的姿态稳定控制。对于常规固定翼飞行器而言，小迎角范围内气动参数随迎角呈近似线性趋势变化，当迎角增大时(小于失速迎角)，出现一定程度非线性特征；对于无尾布局等非常规形式飞行器，其气动特性参数随迎角和控制舵偏变化非线性较强。因此在大迎角范围内的姿态控制律设计中，需要充分考虑气动模型非线性的影响，设计非线性控制律。迎角保持，即指无人机除实现姿态稳定以外，还需保持较大迎角状态。常规控制方法中，采用升降舵控制俯仰角，油门控制飞行速度的逻辑方案。虽然通过控制速度可以起到间接控制迎角的作用，但这种方法一方面忽略了控制目标状态间的约束关系，可能出现油门为零时速度仍无法减小，或者高度下降过快的情况。同时，根据升重平衡，速度和迎角有唯一的对应关系，在大迎角状态时，升力系数变化减缓，使得速度变化幅度减小，此时迎角对速度变化更加敏感，测量误差及扰动对控制效果影响加剧。
[0004]另一方面，在高度和速度控制中，传统控制方式存在较强的耦合作用，即升降舵控制姿态过程中，飞行高度会发生变化，进而影响速度变化，而油门控制过程中，速度变化会改变迎角，进而改变飞行航迹和姿态，进一步影响飞行高度。总能量控制方法尽管提出了利用油门控制飞机总能量，升降舵或俯仰角控制动能/势能平衡关系的解耦策略，但仍存在一些不足之处：理论推导过程中进行了小角度简化，无法适应大角度范围变化；采用比例
‑
积分控制，对非线性模型适应性差；控制参数较多，增加了参数优化复杂度。
[0005]综上所述，传统的无人机纵向速度和高度控制方法，在轨迹精确控制及低速大迎角应用场景中存在一定缺陷，很难满足实际需求。

技术实现思路

[0006]针对上述现有无人机控制方法设计过程中的不足，本专利技术提供一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，不仅模型参数适应性强，而且指令计算复杂度低，能够有效地实现大迎角范围高度速度解耦控制。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方
法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1，确定固定翼无人机的期望飞行空速和期望飞行高度；
[0009]步骤2，根据期望飞行高度与实际高度之间的关系设计期望高度变化率，并通过期望高度变化率以及期望飞行空速，计算得到期望航迹倾角；
[0010]步骤3，通过期望飞行空速和期望航迹倾角，利用通用配平方法，计算得到对应的配平迎角和期望姿态角；
[0011]步骤4，根据配平迎角与实际迎角偏差，基于增量非线性动态逆方法设计推力
‑
迎角控制律，得到推力控制指令，实现迎角
‑
速度控制；
[0012]步骤5，根据期望姿态角与实际姿态角偏差，基于增量非线性动态逆方法设计俯仰角控制律，得到升降舵偏指令，实现姿态
‑
航迹控制。
[0013]本专利技术具有如下有益技术效果：
[0014]1、本专利技术将期望飞行空速和期望飞行高度的直接指令，利用状态配平约束关系，间接转化为迎角和姿态角指令，实现了解耦控制。推力
‑
迎角控制律使无人机可以维持在较大范围迎角状态，与姿态角控制律相结合，则使无人机稳定地维持在当前迎角状态，并实现航迹控制。采用推力直接对迎角进行控制的逻辑，一方面，避免了大迎角区域内迎角对速度变化较为敏感的问题，减弱了速度扰动对迎角的影响；另一方面，若采用推力对速度进行控制，而速度与迎角有关，存在迎角变化的中间环节，会增加控制回路，降低控制效率；
[0015]2、本专利技术中的迎角和姿态控制，均利用增量非线性动态逆理论进行控制律设计，利用加速度反馈进行控制，避免了一部分模型非线性对控制效果的影响，提升了控制律的适应能力与抗干扰能力；
[0016]3、本专利技术中姿态角控制回路响应速度快于迎角控制回路，一方面，在迎角变化过程中，可以认为俯仰角已达到期望值，减少迎角控制过程中的变量，使其满足增量非线性动态逆简化条件；另一方面，在航迹角控制过程中，可以通过调整期望俯仰角，对航迹角控制过程进行微调，弥补迎角控制过程中的航迹角变化，提高航迹控制精度。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0018]图1为本专利技术实施例中固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法的逻辑结构图；
[0019]图2为本专利技术实施例中迎角控制律结构框图；
[0020]图3为本专利技术实施例中姿态控制律结构框图。
[0021]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基
于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]另外，本专利技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。
[0024]如图1所示为本实施例公开的一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，参考图1，具体包括如下步骤1
‑
步骤5。
[0025]步骤1，根据固定翼无人机的起飞、着陆或大迎角机动等实际飞行场景需求确定期望飞行空速和期望飞行高度。
[0026]步骤2，根据固定翼无人机的期望飞行高度与实际高度之间的关系设计期望高度变化率，通过期望高度变化率以及期望飞行空速，计算得到期望航迹倾角，其具体实施过程为：
[0027]步骤2.1，将期望高度变化率设计为一阶环节，具体地：
[0028][0029]式中，为期望高度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定固定翼无人机的期望飞行空速和期望飞行高度；步骤2，根据期望飞行高度与实际高度之间的关系设计期望高度变化率，并通过期望高度变化率以及期望飞行空速，计算得到期望航迹倾角；步骤3，通过期望飞行空速和期望航迹倾角，利用通用配平方法，计算得到对应的配平迎角和期望姿态角；步骤4，根据配平迎角与实际迎角偏差，基于增量非线性动态逆方法设计推力
‑
迎角控制律，得到推力控制指令，实现迎角
‑
速度控制；步骤5，根据期望姿态角与实际姿态角偏差，基于增量非线性动态逆方法设计俯仰角控制律，得到升降舵偏指令，实现姿态
‑
航迹控制。2.根据权利要求1所述的固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，其特征在于，步骤2中，将期望高度变化率设计为一阶环节，为：式中，为期望高度变化率，K
h
为一阶环节时间常数的倒数，h
c
为期望飞行高度，h
t
为当前的实际高度。3.根据权利要求2所述的固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，其特征在于，步骤2中，所述期望航迹倾角为：式中，γ
c
表示期望航迹倾角，V
a,c
表示不考虑风的影响下的期望飞行空速。4.根据权利要求1或2或3所述的固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，其特征在于，步骤3具体包括：步骤3.1，根据期望飞行空速和期望航迹倾角，利用无人机动力学模型和通用配平计算方法得到当前期望飞行空速和期望航迹倾角状态下对应的配平迎角，为：α
trim
＝trim(V
a,c
,γ
c
)式中，α
trim
为配平迎角，trim(
·
)为表示配平计算过程，V
a,c
表示不考虑风的影响下的期望飞行空速，γ
c
表示期望航迹倾角；步骤3.2，根据期望航迹倾角和配平迎角，计算得到期望姿态角，为：θ
c
＝γ
c
+α
trim
式中，θ
c
为期望姿态角。5.根据权利要求4所述的固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法，其特征在于，在步骤3.1的配平过程中，飞行器本体的飞行性能和控制能力设置相应的约束条件，对配平状态的合理性做出判断并进行相应调整，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈清阳，辛宏博，王鹏，王玉杰，侯中喜，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：