[發明專利]一種垂直起降無人機的分數階控制方法

有效

• 申請號: 201810441069.6
• 申請日: 2018-05-10
• 公開（公告）號: CN108508753B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 楊斌;周芙茭
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

1.一種垂直起降無人機的分數階控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：根據牛頓運動學原理和剛體運動學原理，對垂直起降無人機系統建立動力學模型；

步驟2：將垂直起降無人機系統分解成互相級聯的y子系統和x與級聯子系統；

步驟3：首先對y子系統設計基于分數階理論的反饋控制律u'₁，當|u'₁|<c，將x與級聯子系統簡化成一個積分器系統，再次設計基于分數階理論的反饋控制律u'₂；其中，c表示常數；

步驟4：利用時域適應度函數評價基于分數階理論的反饋控制律u'₁和u'₂，然后利用粒子群算法對空置率中的參數進行優化。

2.根據權利要求1所述的垂直起降無人機的分數階控制方法，其特征在于，所述步驟1中，所述動力學模型為：

其中，M是無人機的質量,J是無人機的慣性力矩，是無人機的橫滾角，g無人機的重力加速度，控制輸入u₁和u₂分別是推力和加速度，無人機與水平方向之間存在固定角度α≠0，x和y表示平面位置，表示x的二階導數，表示y的二階導數，表示的二階導數。

3.根據權利要求2所述的垂直起降無人機的分數階控制方法，其特征在于，所述步驟2中，首先將所述動力學模型轉換為：

其中，u′₁和u′₂是新的控制輸入；將公式(2)帶入到公式(1)中，得到：

從而將垂直起降無人機系統轉化為如下y子系統：

與x與級聯子系統：

其中，y₁、y₂分別表示y和y的一階導數；分別表示y的一階導數和y的二階導數。

4.根據權利要求3所述的垂直起降無人機的分數階控制方法，其特征在于，所述步驟3中，y子系統的基于分數階理論的反饋控制律u'₁為：

其中，0.5是分數階的階次,y_d表示期望的高度；y₁、y₂、y₃、y₄為控制參數，需要滿足：

當|u'₁|<c，將x與級聯子系統簡化為：

令

k_a＝c+Mg sin(α) (9)

當時，將x與級聯子系統簡化成下面最終的表達形式：

其中，x₁、x₂分別表示x和x的一階導數，分別表示x的一階導數和二階導數，分別表示和的一階導數，分別表示的一階導數和二階導數；

x與級聯子系統的基于分數階理論的反饋控制律u'₂為：

其中，k₅...k₁₂是控制律中的控制參數。

5.根據權利要求4所述的垂直起降無人機的分數階控制方法，其特征在于，所述步驟3中，時域適應度函數的性能指標包括上升時間t_r、調節時間t_s、超調量M_p，時域適應度函數f(k)為：

f(k)＝w₁t_r+w₂t_s+w₃M_p (12)

其中，w₁、w₂、w₃分別為上升時間t_r、調節時間t_s、超調量M_p對應的權重系數。