本發明涉及一種基于正系統特性的飛行器抗干擾安全接近禁飛區方法，利用正系統特性，將飛行器目標接近問題轉化為正系統的跟蹤控制問題，并充分考慮外界干擾對于安全接近過程的影響并對干擾進行補償，可用于飛行器對目標對象的安全接近。
背景技術：
隨著飛行器相關技術的快速發展，人們對于飛行器可完成的任務需求日益提高，除了飛行器的自由飛行外，往往需要飛行器完成繞飛、懸停、跟蹤等動作來進行針對目標對象的多種任務操作，如空中加油、空間在軌服務等。在這種針對目標對象進行的任務中，通常將目標外包絡設為禁飛區域，要求飛行器在接近目標以及操作過程中均不能飛入禁飛區域，以避免飛行器與目標對象發生摩擦或碰撞，造成飛行器故障或損壞。同時，要求飛行器盡可能靠近目標對象，也就是盡可能的從外側接近禁飛區域邊緣，以保證后續操作動作的可行性和成功率。因此，保證飛行器安全接近至目標對象附近對于飛行器各類任務操作至關重要。同時，對于安全性的高要求也決定了對于控制的高精確性要求，確保飛行器不會飛入禁飛區域，并能逼近禁飛區邊緣。因而在模型以及控制律設計中需要考慮實際飛行中可能受到的來自外部環境的干擾影響，如風干擾等，對干擾進行表征并對輸入通道的干擾影響進行補償和抵消。因此，要保證飛行器安全接近目標對象，亟需設計考慮干擾影響的基于禁飛區的安全接近方法，為后續針對目標的近距離操作提供基礎。
目前，針對飛行器對目標的接近問題，很多學者提出了關于軌跡規劃與控制的技術方法。專利申請號為201610262405.1中提出了針對存在禁飛區多邊形區域的旋翼無人機覆蓋搜索航跡規劃方法，利用覆蓋搜索方式進行航跡規劃，但存在問題如下：(1)未數學表征禁飛區域，區域搜索方法增加計算量并影響計算效率；(2)未考慮外部干擾對于無人機飛行航跡的影響；專利申請號為201610685944.6中提出了一種對輻射型禁飛區的再入軌跡優化設計方法，但其所用方法為考慮約束條件的軌跡優化設計方法，存在兩個問題：(1)優化方法得到的解過于單一，只針對一個優化目標得到；(2)停留在方法層面進行軌跡規劃，增加了方法求解的復雜性，限制了工程實現可能性；專利申請號為201510964719.1提出了針對失效衛星的超近距離最優防撞接近方法，但依然停留在依靠最優化方法進行安全接近路徑設計，未在模型上進行改良；專利申請號為201611187013.x中提出了航天器終端接近的有限時間飽和避碰控制方法，但只考慮了球形避碰區情況下的控制方法，不具有普遍性。綜上所述，現有技術均是從方法層面上進行改良，將禁飛區約束作為優化算法的約束條件，強依賴于控制算法的精確性，未能從模型上根本地解決禁飛區的安全避碰問題。為解決此問題，亟需設計一種基于正系統特性的飛行器抗干擾安全接近禁飛區方法。
技術實現要素：
本發明的技術解決問題是：克服現有技術的只從方法層面解決飛行器安全接近任務導致強依賴于控制算法精度問題的不足，從模型層面進行禁飛區約束表征，提出一種基于正系統特性的飛行器抗干擾安全接近禁飛區方法，解決飛行器對目標禁飛區的繞飛與接近。
本發明的技術解決方案為：一種基于正系統特性的飛行器抗干擾安全接近禁飛區方法，其特點在于：針對飛行器的安全接近問題，將存在目標禁飛區域的安全接近問題轉化為正系統的跟蹤控制問題，使得飛行器目標接近這一工程問題轉化為關于正系統的科學問題進行求解，并考慮外部干擾，設計干擾觀測器對干擾進行補償，降低其對系統性能的影響。與傳統接近方法相比，從模型入手，從根本上解決了不飛入禁飛區的問題，提高了接近過程的精確性和安全性，并考慮外部環境干擾影響，增強了實際工程應用價值。
具體包括以下步驟：首先，針對飛行器安全接近目標禁飛區的問題，將禁飛區邊界參數作為飛行器運動狀態的跟蹤量，并考慮外界環境帶來的干擾，搭建考慮干擾的離散跟蹤動力學模型；其次，根據運動模型中存在的外界環境干擾，設計干擾觀測器，對干擾進行估計；再次，根據搭建的離散跟蹤動力學模型，設計狀態反饋控制器；最后，結合狀態反饋控制器和干擾觀測器，設計復合抗干擾跟蹤控制器，構建閉環增廣跟蹤誤差系統，通過ilmi算法解算控制器參數，使得閉環增廣跟蹤誤差系統在復合抗干擾跟蹤控制器作用下為漸近穩定的正系統，通過正系統跟蹤控制策略，確保飛行器接近禁飛區的過程中始終保持在禁飛區外側，解決禁飛區的安全接近問題。此方法可用于飛行器對圓形、多邊形等各類禁飛區目標的安全接近過程；具體步驟如下：
第一步，針對禁飛區的安全接近問題，將禁飛區邊界參數作為飛行器運動狀態的跟蹤量，并考慮外界環境帶來的干擾，搭建考慮干擾的離散跟蹤動力學模型如下：
其中，a,b,c為系統特征矩陣，a為系統矩陣，b為輸入矩陣，c為輸出矩陣，a,b,c均為常值矩陣，設c≥≥0，
其中，w(k)是k時刻狀態變量，w(k+1)是k+1時刻狀態變量，w,v是已知參數矩陣，均為常值矩陣，假設v≥≥0，其中，若任一矩陣h是一個m行n列的矩陣，有形式hij＞0,i＝1,...,mj＝1,...,n，則表示為h≥≥0，hij為矩陣h第i行、第j列的元素。
第二步，針對飛行過程中外界環境帶來的干擾，設計干擾觀測器，對干擾進行估計，干擾觀測器形式如下：
其中，z(k)是k時刻干擾觀測器狀態變量，l為待求解的觀測器增益矩陣，
第三步，根據搭建的離散跟蹤動力學模型，設計狀態反饋控制器
u*(k)＝kx(k)
其中，k是待求解的控制器增益矩陣，x(k)為k時刻狀態變量，u*(k)為k時刻狀態反饋控制輸入。
第四步，結合狀態反饋控制器和干擾觀測器，設計抗干擾跟蹤復合控制器如下：
其中，x(k)為k時刻狀態變量，u*(k)為k時刻狀態反饋控制輸入，
其中，
利用一種基于正系統特性的正系統跟蹤控制策略：正系統是一類特殊系統，若系統的特征矩陣滿足每個矩陣元素均大于或等于0，則系統的狀態變量及輸出變量恒為正；正系統跟蹤控制策略利用正系統的狀態變量恒為正值的這一特性，將禁飛區的邊界作為狀態跟蹤量，將飛行器的位置與速度的跟蹤誤差作為狀態變量，設計控制器使得以飛行器的位置與速度的跟蹤誤差為狀態變量的閉環系統為正系統，保證狀態變量恒為正值，即飛行器的位置與速度的跟蹤誤差恒為正，保證接近過程中，飛行器的位置始終保持在禁飛區邊界外側，解決飛行器跟蹤接近禁飛區的過程中不進入禁飛區的安全接近問題。
本發明與現有技術相比的優點在于：本發明涉及的接近方法將禁飛區域限制從位置和速度約束量轉化為狀態跟蹤量，通過模型來表征目標禁飛區屬性，并考慮外界環境干擾，設計干擾觀測器對干擾進行估計和補償，保證目標接近運動的安全性的同時，提高控制精度和目標接近運動的精確性，增強了工程實際意義。本發明可用于飛行器對圓形、多邊形等各類禁飛區目標的安全接近過程。
附圖說明
圖1為本發明一種基于正系統特性的飛行器抗干擾安全接近禁飛區方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明。
1、針對飛行器安全接近目標禁飛區的問題，利用正系統狀態始終為正的特性，將禁飛區邊界參數作為系統狀態跟蹤量，并考慮外界環境帶來的干擾，搭建考慮干擾的離散跟蹤動力學模型。
將禁飛區邊界作為飛行器位置狀態的跟蹤量，設飛行器最終懸停至目標位置，則得到飛行器離散跟蹤動力學模型。設禁飛區邊界，即參考跟蹤量為
其中，hf為位置跟蹤量，vf為速度跟蹤量，hr為常值。取hr＝30。
考慮離散跟蹤系統
其中，h(k)為k時刻的位置變量，v(k)為k時刻的速度變量，δt為采樣時間，取δt＝0.01。u(k)為k時刻系統輸入變量，hf(k)和vf(k)為k時刻的參考跟蹤量，d(k)是k時刻的外部環境干擾，假設其可由一個動態系統描述，形式如下：
其中，w(k)是k時刻狀態變量，w(k+1)是k+1時刻狀態變量，w,v是已知參數矩陣，均為常值矩陣，假設v≥≥0，其中，若任一矩陣h是一個m行n列的矩陣，有形式hij＞0,i＝1,...,mj＝1,...,n，則表示為h≥≥0，hij為矩陣h第i行、第j列的元素。取v＝[10.5]，
采用變量替換方法，定義位置跟蹤誤差φ(k)和速度跟蹤誤差
設系統變量為
其中，
2、針對飛行過程中外界環境帶來的干擾，設計干擾觀測器，對干擾進行估計。
根據第一步中式(1)，建立的干擾模型，設計干擾觀測器
其中，z(k)是k時刻干擾觀測器狀態變量，l為待求解的觀測器增益矩陣，
3、根據搭建的離散跟蹤動力學模型，設計狀態反饋控制器。
設計系統狀態反饋控制律如下：
u*(k)＝kx(k)
其中，k是待求解的控制器增益矩陣，x(k)為k時刻狀態變量，u*(k)為k時刻狀態反饋控制輸入。
4、結合狀態反饋控制器和干擾觀測器，設計復合抗干擾跟蹤控制器，通過ilmi算法解算控制器參數，使得閉環增廣跟蹤誤差系統在復合抗干擾跟蹤控制器作用下為漸近穩定的正系統，通過正系統跟蹤控制策略，確保飛行器接近禁飛區的過程中始終保持在禁飛區外側，解決禁飛區的安全接近問題。
結合狀態反饋控制器和干擾觀測器，設計抗干擾跟蹤復合控制器
其中，u*(k)為k時刻狀態反饋控制輸入。得到閉環跟蹤系統
其中，
將ew(k)作為系統增廣變量，則可得到閉環增廣跟蹤誤差系統
通過ilmi算法解算得到控制器參數和干擾觀測器參數，使得閉環增廣跟蹤誤差系統在抗干擾跟蹤復合控制器作用下為漸近穩定的正系統。即對于
飛行器最終從外側穩定接近目標禁飛區域并懸停至禁飛區邊緣目標點。通過ilmi算法解算得到控制器參數k＝[0-10.7]和干擾觀測器參數
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。