專利名稱：一種基于l1自適應(yīng)控制的飛行器姿態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于LI自適應(yīng)控制技術(shù)的飛行器姿態(tài)控制方法，屬于無人飛行器姿態(tài)自動控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無人駕駛飛機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV),簡稱無人機(jī),是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器。鑒于其獨(dú)有的低成本、低損耗、零傷亡、可重復(fù)使用和高機(jī)動等諸多優(yōu)勢，使用范圍已拓寬到軍事、民用以及科學(xué)研究三大領(lǐng)域。在軍事上可用于偵察、監(jiān)視、通信中繼、電子對抗、火力制導(dǎo)、戰(zhàn)果評估、騷擾、誘惑、對地(海)攻擊、目標(biāo)模擬和早期預(yù)警等；在民用上，可用于大地測量、氣象觀測、城市環(huán)境檢測、地球資源勘探和森林防火等；在科學(xué)研究上，可用于大氣研究、對核生化污染區(qū)的取樣與監(jiān)控以及新技術(shù)新設(shè)備與新飛行器的試驗(yàn)驗(yàn)證等。無人飛行器的姿態(tài)控制因其廣泛的應(yīng)用背景成為一個備受關(guān)注的控制問題，例如固定翼、旋翼無人機(jī)的姿態(tài)增穩(wěn)/姿態(tài)調(diào)節(jié)等，是飛行控制中一個最核心的任務(wù)。而姿態(tài)調(diào)節(jié)問題中的強(qiáng)非線性和耦合特性使其至今仍為科研院所以及高校研究的熱點(diǎn)。基于模型的非線性控制算法，例如滑?？刂破饕约胺床椒ǎ诖嬖谀Ｐ偷牟淮_定性以及外部干擾的情況下，控制效果會受到很大影響。LI自適應(yīng)控制有較強(qiáng)的魯棒性，對存在非線性和耦合、環(huán)境干擾(尤其是飛行控制中的環(huán)境變化)的三自由度姿態(tài)系統(tǒng)，具有良好的鎮(zhèn)定和調(diào)節(jié)效果。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決姿態(tài)控制問題中存在的非線性和耦合特性以及姿態(tài)調(diào)節(jié)過程中可能受到的外部干擾，提供一種基于LI自適應(yīng)控制的三自由度飛行器姿態(tài)控制方法，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)魯棒的控制和調(diào)節(jié)。飛行器姿態(tài)系統(tǒng)的控制，包括滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角的調(diào)節(jié)，為了簡化控制律的設(shè)計，將姿態(tài)控制器的設(shè)計分滾轉(zhuǎn)、偏航、俯仰三個通道分別用LI自適應(yīng)控制算法進(jìn)行設(shè)計。本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括如下步驟步驟I :建立飛行器姿態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括三個如下形式的二階狀態(tài)方程組成
f .(-(/)=//. -(/)+/ ("(/)+ 沒；(/K/)+ (Ti /))<τ
[y(t)=c x{t) χ(0)=χο其中，X(t)為可觀測的系統(tǒng)狀態(tài)向量，在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航姿態(tài)控制通道中分別為(色好和(武句τ以及O才)T,u(t)為各通道的控制信號，A為2階系統(tǒng)矩陣，各通道中分別通過機(jī)理分析，根據(jù)力學(xué)定理定律確定，b是通過參數(shù)辨識所得到的常數(shù)向量，Θ (t)是未知參數(shù)，由狀態(tài)觀測器估計而得，σ (t)是時變干擾。y(t)是系統(tǒng)輸出。c為輸出矩陣，其值為2階單位陣中的第一列。所設(shè)計的每個控制器的控制律u(t)分為線性狀態(tài)反饋控制律U1 (t)和自適應(yīng)控制律U2 (t)兩部分u (t) = U1 (t) +U2 (t)U1 (t) = -Kx (t)令A(yù)m = A-bK, K的選取使得Am滿足Hurwitz條件，從而飛行器姿態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為
權(quán)利要求
1.一種基于LI自適應(yīng)控制的飛行器姿態(tài)控制方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I:建立飛行器姿態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括三個如下形式的二階狀態(tài)方程組成 (x(/)=Ax(/)+b(u(/)+e1 ( )χ(/)+σ(ι))I v(0=cT-^(/) X(O)=Xo 其中，x(t)為可觀測的系統(tǒng)狀態(tài)向量，在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航姿態(tài)控制通道中分別為(#，#)τ和(武句τ以及(FDt，u⑴為各通道的控制信號汸為2階系統(tǒng)矩陣，通過機(jī)理分析，根據(jù)力學(xué)定理定律確定；b是通過參數(shù)辨識所得到的常數(shù)向量，Θ (t)是未知參數(shù)，由狀態(tài)觀測器估計而得；σ (t)是時變干擾；y(t)是系統(tǒng)輸出；c為輸出矩陣，其值為2階單位陣中的第一列；u(t)為控制器的控制律，分為線性狀態(tài)反饋控制律U1 (t)和自適應(yīng)控制律U2 (t)兩部分 u (t) = U1 (t) +U2 (t) U1 (t) = -Kx (t) 令A(yù)m = A-bK，K的選取使得Am滿足Hurwitz條件，從而飛行器姿態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為 χ(Ι)=Α, χ(Ι)+h(uι( )+ θι ( )χ{/)+σ(!)) y(t)=cTx(t) χ(0)=χο 步驟2 :根據(jù)步驟I的數(shù)學(xué)模型，分別設(shè)計滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個通道的LI自適應(yīng)控制器；所述LI自適應(yīng)控制器的設(shè)計方法為 步驟2.1，設(shè)計狀態(tài)觀測器； 在每個控制器設(shè)計中的狀態(tài)觀測器為 < χ (t)=Amx(t)+h(u2(i)+e χ( )+σ( )) v({)=cT x(t) X(O)=Xo 其中x(0、備(0和<T(0分別是χ⑴、θ (t)和σ⑴的估計值，χ。為初始狀態(tài)； 步驟2. 2，設(shè)計自適應(yīng)律* j 6>(7)=rrtProj(^(/);-x(/).i' (J)Pb){θ(0)=θο x(t)=x(t)-x(l) .5(/)=Γσ Proj(iJ(/),-.vT(/)P6)八σ(0)=σο 備。和士)分別為θ (t)和σ⑴的估計初值，P為李雅普諾夫方程的解，I為2階單位矩陣；Γ 0，Γ。是自適應(yīng)增益矩陣，隨著其增大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及跟蹤精度相應(yīng)的提高；其中Pr oj( ·，·)為投影算子，其表達(dá)式為 δ V- ,.^ll /1, ,y\f {0) f(ff)>0 and V/rv>0 Proj(^v) = ^ WlWlf IJ其他 步驟2. 3，設(shè)計自適應(yīng)控制律
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于LI自適應(yīng)控制的飛行器姿態(tài)控制方法，其特征在于所述的參考信號在控制工程中通常為脈沖信號、階躍信號、斜坡信號、加速度信號、正弦信號、方波信號，以檢驗(yàn)閉環(huán)系統(tǒng)的跟蹤效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于LI自適應(yīng)控制的飛行器姿態(tài)控制方法，其特征在 "O "于對于滾轉(zhuǎn)角通道的LI自適應(yīng)控制器
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于LI自適應(yīng)控制的飛行器姿態(tài)控制方法，其特征在于四個螺旋槳的驅(qū)動電壓的約束條件為Ui+UfUfU^^VJiias，其中V_bias為偏置電壓，其取值越大，四個螺旋槳旋轉(zhuǎn)的平均轉(zhuǎn)度越快。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于L1自適應(yīng)控制技術(shù)的飛行器姿態(tài)控制方法，屬于無人飛行器姿態(tài)自動控制技術(shù)領(lǐng)域。將系統(tǒng)的控制信號u(t)輸入狀態(tài)觀測器，得到飛行器狀態(tài)估計值作為自適應(yīng)律的輸入，得到系統(tǒng)的不確定性、外部干擾的估計值和將設(shè)定的參考信號r(t)和輸入自適應(yīng)控制律，得到系統(tǒng)自適應(yīng)控制律然后輸入低通濾波器，得到控制信號u2(t)，疊加上線性狀態(tài)反饋控制律u1(t)，將其輸入狀態(tài)觀測器，并作用于被控對象，被控對象反饋實(shí)際的姿態(tài)值x(t)至自適應(yīng)律、自適應(yīng)控制律、狀態(tài)觀測器，從而構(gòu)成L1自適應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明建立的飛行器姿態(tài)L1自適應(yīng)控制有較強(qiáng)的魯棒性，對存在非線性和耦合、環(huán)境干擾的飛行器姿態(tài)系統(tǒng)，具有良好的鎮(zhèn)定和調(diào)節(jié)效果。
文檔編號G05D1/08GK102809970SQ20121023767
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者耿慶波, 胡瓊, 費(fèi)慶, 蘭天, 伍清河 申請人:北京理工大學(xué)