[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

本發明公開了一種垂直起降無人機的分數階控制方法，包括垂直起降無人機系統建模和系統結構分解、兩個子系統的分數階反饋控制律的設計、利用粒子群算法優化參數。將系統進行級聯分解，根據無人機內部結構特點分解為y子系統和x與級聯子系統，解決了控制量之間耦合問題，為后面設計控制律打下基礎。對第一個y子系統設計分數階反饋控制律，當|u₁'|≤c時，對于第二個x與級聯子系統，構造出第二個分數階反饋控制律。利用時域適應度函數來評價控制律，兩個分數階反饋控制律里面的參數，利用粒子群優化算法進行選擇。

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，具體是將分解垂直起降無人機系統級聯分解成簡單的兩個子系統情況下，設計兩個子系統的分數階反饋控制律，屬于單無人機飛行控制領域。

背景技術

隨著垂直起降無人機飛行控制技術的飛速發展，其結構簡單優勢已經遠遠超過固定翼無人機控制技術所帶來的便利，并且垂直起降無人機分數階控制技術的誕生，也彌補了垂直起降無人機飛行控制技術中的盲區?；谶@種有利的因素，垂直起降無人機的應用領域也得到大大的拓展。隨著垂直起降無人機飛行控制技術的不斷提高與完善，未來垂直起降無人機必然會在更多的領域發揮不可忽視的作用。

垂直起降無人機是所有無人機中最常見也是被重點研究的一種機型。垂直起降無人機具有極其簡單的結構，由一個完整的主體機身，并且在機體的尾端配有兩個無刷電機，通過這兩個電機配合螺旋槳的旋轉產生向上的升力以及橫滾角。在一類單旋翼類型的無人機中，例如像直升型無人機主要是通過主漿與舵機的相同作用，無人機才能產生位移和姿態的改變。但本專利中針對的垂直起降無人機與單旋翼無人機不同，這種類型的無人機主要是通過兩個旋翼的共同作用產生旋轉力矩，只有兩個控制輸入，三個控制輸出，起到控制無人機的姿態和位置的效果。雖然垂直起降無人機具有極其簡單的物理結構，但卻具有高復雜程度，強非線性的動態特性，并且垂直起降無人機系統是一個欠驅動系統，所以這也給研究帶來了很大的困難。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術的不足，提出一種垂直起降無人機的分數階控制方法，將復雜系統轉化分解成兩個簡單子系統，對兩個子系統設計分數階反饋控制律使得無人機能夠收斂到參考信號。

技術方案：一種垂直起降無人機的分數階控制方法，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。

進一步的，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。

進一步的，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：