【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种固定翼无人机的避障方法以及在存在未知外界扰动和推力故障下的改进非奇异终端滑模容错控制方法，属于飞行器容错避障控制领域。
技术介绍
0、技术背景
1、近年来，由于无人机速度快、能携带多种载荷，其在众多领域已经得到广泛应用，尤其是在军事领域，无人机已成为不可或缺的重要力量。但随着战斗的激烈程度越来越高，所处环境越来越复杂。无人机在安全性、可靠性、稳定性等方面的要求也越来越高。复杂多变的外部环境、未知的外部干扰以及无人机执行器的故障不仅会对飞行产生不利影响，甚至会导致一些灾难性的后果；避免无人机与周围物体间的碰撞也同样是一个值得考虑的方面。因此，为了提高固定翼无人机系统执行各种任务的能力，保证系统具有较高的安全性和可靠性，需要对无人机的避障与容错控制开展研究。
2、目前，少有研究成果同时考虑包括障碍规避以及执行机构故障容错在内的综合性飞行安全问题。并且，当这类飞行安全要求与原有的目标跟踪飞行任务相结合时，控制器设计难度将被进一步加大。本专利技术将路径规划、扰动观测器与非奇异终端滑模控制相结合，为这个复杂问题提出了一种解决方法。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种针对固定翼无人机的路径规划避障算法以及针对推力损失的非奇异终端滑模容错控制方法，保证固定翼无人机具备避障能力且能在执行器故障的情况下稳定飞行并实现对期望轨迹的跟踪。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、本专利技术
4、s1建立固定翼无人机动力学模型，设定控制输入量；
5、s2建立执行器故障模型；
6、s3将障碍物设定为球体，根据障碍物半径以及无人机的机翼长度为得到无人机与障碍物的碰撞范围；再结合障碍物的坐标以及影响半径得到人工势场法中斥力场；采用引入逃逸力fe来解决局部最小值的问题，得到无人机行进方向中障碍物间的最小距离；
7、s4设计非线性扰动观测器对障碍物集总不确定项进行估计，引用估计值并结合改进的非奇异终端滑模方法推演设计容错控制器；
8、s5根据得到的控制输入量，返回到固定翼无人机故障模型，对推力损失情况下的固定翼无人机进行容错控制并对期望轨迹进行跟踪。
9、进一步的，所述建立的固定翼无人机动力学模型具体为：
10、
11、其中，x,y,z代表三轴位置坐标，v表示空速，χ表示航向角，γ表示航迹角。φ代表倾斜角，t为推力，d为阻力，l为升力，m为无人机质量，g是重力加速度；
12、所述设定控制输入量具体为：
13、设定控制输入us＝[us1,us2,us3]t＝[t,l sinφ,l cosφ]t，设定pf＝[x,y,z]t为外环位置矢量，得到：
14、
15、其中，
16、
17、进一步的，所述建立执行器故障模型具体为：
18、考虑推力故障，外部扰动和参数不准确度：
19、u(t)＝(1-ρ(t))us(t)+δ(t) (4)
20、d＝[dx,dy,dz]t (5)
21、δf＝[δfx,δfy,δfz]t (6)
22、其中，ρ(t)＝diag{ρ1,0,0}，0≤ρ1＜1代表推力损失比例，δ(t)＝[δp,0,0]t代表偏置故障，δp为偏置故障的大小；
23、将(4)～(6)代入(2)中得到：
24、
25、其中，f(pf,t)＝-gρus(t)+gδ(t)+δf+d为不确定项。
26、进一步的，所述s3具体为：
27、将无人机所有障碍物均当作球体处理，设障碍物半径为rob，无人机的机翼长度为ruav，则无人机与障碍物的碰撞范围为rcol＝rob+ruav；再设定障碍物的坐标为po＝[xo,yo]t，影响半径为d0，得到传统人工势场法中斥力场定义如下：
28、
29、其中，krep是斥力系数，d(p,po)＝||p-po||为无人机当前位置与障碍物间的距离；
30、设定无人机受到的斥力为斥力场的负梯度：
31、
32、斥力的方向沿着无人机与障碍物之间的直线，指向障碍物；
33、通过改进斥力场函数来解决目标不可达问题，改进后的斥力场函数为：
34、
35、则改进后无人机上的斥力为：
36、
37、其中，
38、
39、采用引入逃逸力fe来解决局部最小值的问题，施加的逃逸力大小定义如下：
40、
41、其中，fd＝||fatt||-||frep||；
42、用于施加的逃逸力的角度定义如下：
43、
44、其中，rmin为垂直于此时无人机行进方向的n个障碍物间的最小距离。
45、进一步的，所述s4具体为：
46、在故障模型中集总不确定项未知的情况下，设计非线性扰动观测器对不确定项f(pf,t)进行估计，然后引用估计值并结合改进的非奇异终端滑模方法推演设计容错控制器；
47、设计辅助变量其中υ为辅助子系统，定义如下：
48、
49、其中，α1,α2,α3,α4＞0，0＜λ1＜1，λ2＞1为待设计的观测器参数；
50、集总不确定项f的估计值为：
51、
52、设定轨迹规划所给出的期望路径为定义跟踪误差则改进的非奇异终端滑模面定义如下：
53、
54、其中，ξ>0，0＜τ＜1，p和q为奇数且满足1＜q＜p＜2q为待设计的参数，pf(0)为系统的初始状态；
55、设计基于改进非奇异终端滑模的容错控制器为：
56、
57、其中，k1＞0,k2＞0为待设计的控制器参数。
58、本专利技术的有益效果为：
59、(1)本专利技术对传统的人工势场法进行改进，解决了传统人工势场法中存在的目标不可达以及局部最小值问题，可以帮助固定翼无人机完成避障。
60、(2)本专利技术公开了一种基于改进非奇异终端滑模的固定翼无人机容错控制方法，在无人机存在未知外界扰动并遭遇执行器故障时仍然可以保持固定翼的稳定飞行和对期望轨迹的精确跟踪。设计的扰动观测器可以实现对未知外界扰动以及故障的快速、准确估计。
61、(3)在固定翼无人机的容错避障控制上具有很好的实际意义和应用前景。
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1.一种固定翼无人机容错避障控制方法，其特征在于，所述控制方法包含以下过程：
2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机容错避障控制方法，其特征在于，所述建立的固定翼无人机动力学模型具体为：
3.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机容错避障控制方法，其特征在于，所述建立执行器故障模型具体为：
4.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机容错避障控制方法，其特征在于，所述S3具体为：
5.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机容错避障控制方法，其特征在于，所述S4具体为：
【技术特征摘要】
1.一种固定翼无人机容错避障控制方法，其特征在于，所述控制方法包含以下过程：
2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机容错避障控制方法，其特征在于，所述建立的固定翼无人机动力学模型具体为：
3.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机容错...
【专利技术属性】
技术研发人员：余自权，韩亮，程月华，姜斌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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