[發(fā)明專利]小型無人直升機的強化學習自適應控制方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201910098125.5 | 申請日： | 2019-01-31 |
| 公開（公告）號： | CN109696830B | 公開（公告）日： | 2021-12-03 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 鮮斌;張浩楠;張旭 | 申請（專利權(quán)）人： | 天津大學 |
| 主分類號： | G05B13/04 | 分類號： | G05B13/04 |
| 代理公司： | 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201 | 代理人： | 劉國威 |
| 地址： | 300072*** | 國省代碼： | 天津;12 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 小型 無人 直升機 強化 學習 自適應 控制 方法 | ||
本發(fā)明涉及小型無人直升機的非線性控制，為提出一種基于強化學習的自適應控制方法，實現(xiàn)在小型直升機具有系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外界擾動的情況下，仍能保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，小型無人直升機的強化學習自適應控制方法，以強化學習自適應控制算法為基礎(chǔ)，結(jié)合評價網(wǎng)執(zhí)行網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，用于小型無直升人機的姿態(tài)系統(tǒng)控制中，包括以下步驟：步驟1)確定小型無人直升機的坐標系定義；步驟2)確定小型無人直升機姿態(tài)動力學模型；步驟3)定義姿態(tài)角跟蹤誤差并整理動力學誤差模型；步驟4)控制律設(shè)計。本發(fā)明主要應用于小型無人直升機的非線性控制場合。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種小型無人直升機的非線性控制方法，特別是涉及一種基于強化學習的小型無人直升機自適應控制方法。具體講,涉及小型無人直升機的強化學習自適應控制方法。
背景技術(shù)
無人機(Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV)，是裝配了必要的數(shù)據(jù)處理單元、傳感器、自動控制器以及通信設(shè)備的飛行器系統(tǒng)，能夠在遠距離遙控下或者自主控制下執(zhí)行預先設(shè)定的飛行任務。無人直升機能夠做到：1)可垂直起降、可定點懸停、可在空中原地轉(zhuǎn)彎；2)能夠近地機動飛行；3)起飛和降落無需專用的跑道；4)若直升機在空中發(fā)生故障，可以利用自身旋翼特性自轉(zhuǎn)下滑，最終安全降落。其在民用領(lǐng)域和軍事上均發(fā)揮著重要的價值，受到各國的普遍重視(圖書：國防工業(yè)出版社；著者：賀天鵬，張俊，曾國奇，等；出版年月：2016；文章題目：無人直升機系統(tǒng)設(shè)計；頁碼：1-21)。然而，由于無人直升機是欠驅(qū)動且具有顯著動態(tài)耦合的高度非線性系統(tǒng)，在控制器設(shè)計和實施過程中需要對這些動態(tài)耦合加以考慮和解決，因此其控制器的設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。
目前，針對小型無人直升機系統(tǒng)的控制方法主要包括線性控制、非線性控制和智能控制等多種設(shè)計方法。線性控制方法是目前常用的無人機控制方法，劉昊等人基于簡化的無人直升機線性模型設(shè)計了LQR(linear quadratic regulator，線性二次調(diào)節(jié)器)控制器。該方法通過數(shù)值仿真驗證了控制器的有效性，但這種線性控制方法是基于在無人直升機工作點附近的近似線性化進行分析設(shè)計的，只能在平衡點附近使系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定，因而不可避免地限制了控制器的應用范圍(期刊：IEEE Transactions on IndustrialElectronics；著者：Liu H,Lu G,Zhong Y；出版年月：2013；文章題目：Robust LQRAttitude Control of a 3-DOF Laboratory Helicopter for Aggressive Maneuvers；頁碼：4627-4636)。
為克服線性控制方法的上述不足，許多學者采用非線性控制方法實現(xiàn)無人直升機的大范圍控制。Raptis I A等人將無人機動態(tài)模型劃分為兩個子系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為姿態(tài)控制系統(tǒng)，外環(huán)為位置控制系統(tǒng)，采用反步法設(shè)計了跟蹤控制器，通過數(shù)值仿真驗證了無人機的鎮(zhèn)定、跟蹤和高難度飛行實驗(期刊：IEEE Transactions on Control Systems Technology；著者：Raptis I A,Valavanis K P,Moreno W A；出版年月：2011；文章題目：A NovelNonlinear Backstepping Controller Design for Helicopters Using the RotationMatrix；頁碼：465-473)。針對系統(tǒng)存在參數(shù)不確定性，蒙志君等人設(shè)計了一種基于擴張狀態(tài)觀測器的自抗擾反步控制器，通過引入擴張狀態(tài)觀測器來實時觀測由模型不確定性和外界擾動組成的全部未知擾動，同時與反步法相結(jié)合，使無人直升機在存在外界擾動下均能對控制指令實現(xiàn)快速和準確的反應(期刊：控制理論與應用；著者：陳旭智，蒙志君，趙文龍，等；出版年月：2015；文章標題：適應擾動的無人直升機姿態(tài)跟蹤控制；頁碼：1534-1539)。
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