[發(fā)明專利]一種無人直升機(jī)魯棒容錯(cuò)跟蹤方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910139758.6
• 申請(qǐng)日: 2019-02-26
• 公開（公告）號(hào): CN109991991B
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳謀;閻坤;吳慶憲;姜斌;盛守照;邵書義;張柯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 施昊

1.一種無人直升機(jī)魯棒容錯(cuò)跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)建立同時(shí)包含主旋翼揮舞動(dòng)態(tài)和執(zhí)行器故障的無人直升機(jī)6自由度非線性動(dòng)態(tài)模型；

所述無人直升機(jī)6自由度非線性動(dòng)態(tài)模型如下：

上式中，h₁＝[X_g,Y_g,Z_g]^T是直升機(jī)的位置向量，h₂＝[u,v,w]^T是速度向量，h₃＝[φ,θ,ψ]^T是姿態(tài)角向量，h₄＝[p,q,r]^T是姿態(tài)角速率向量，其中X_g,Y_g,Z_g分別表示直升機(jī)的位置在三維空間各個(gè)方向上的分量，u,v,w分別表示直升機(jī)的速度在三維空間各個(gè)方向上的分量，φ,θ,ψ分別表示直升機(jī)滾轉(zhuǎn)角，俯仰角和偏航角，p,q,r分別表示直升機(jī)的滾轉(zhuǎn)角速率，俯仰角速率和偏航角速率；m是直升機(jī)的質(zhì)量，g是重力加速度，e＝[0,0,1]^T，a和b是主旋翼的縱向揮舞角和橫向揮舞角，J＝diag{J_xx,J_yy,J_zz}是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，τ_e是主旋翼時(shí)間常數(shù)，A_lon和B_lat分別為主旋翼縱向和橫向穩(wěn)定增益，T_a是主旋翼縱向周期變距輸入，T_b是主旋翼橫向周期變距輸入，R是機(jī)體坐標(biāo)系到地面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，H是姿態(tài)變換矩陣；合外力F_f＝[0,0,-ρ₁T_mr]^T，合外力矩其中T_mr和T_tr分別是直升機(jī)主旋翼和尾槳產(chǎn)生的拉力，C_m是旋翼剛度系數(shù)，L_mx,L_my,L_mz是主旋翼中心到機(jī)體中心之間的距離在三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，H_mx,H_my,H_mz是尾槳中心到機(jī)體中心之間的距離在三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量，Q_mr是由于空氣阻力的存在主旋翼產(chǎn)生的反扭矩，Q_mrf＝C_k(ρ₁T_mr)^1.5+E_k，C_k和E_k是主旋翼扭矩系數(shù)；

考慮執(zhí)行器增益失效故障，則故障情況下的控制輸入如下：

ρu＝[ρ₁T_mr,ρ₂T_tr,ρ₃T_a,ρ₄T_b]^T

其中，u＝[T_mr,T_tr,T_a,T_b]^T是控制輸入，ρ_i∈[δ,1]是未知的有效控制效率系數(shù)，0＜δ＜1，i＝1,2,3,4；

(2)將無人直升機(jī)系統(tǒng)分為位置子系統(tǒng)、姿態(tài)子系統(tǒng)和揮舞子系統(tǒng)，分別對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助狀態(tài)觀測器；

所述位置子系統(tǒng)的輔助狀態(tài)觀測器如下：

上式中，B₁是待設(shè)計(jì)的正定對(duì)稱矩陣，是h₂的估計(jì)值，是估計(jì)誤差，F(xiàn)_l＝diag(0,0,-T_mr)，ρ_a＝[1,1,ρ₁]^T，是ρ₁的估計(jì)值，由下式得到：

其中，分別是估計(jì)誤差中的元素，μ₁＞0和o₁＞0是待設(shè)計(jì)的常數(shù)，映射算子Proj{·}用來保證在區(qū)間[δ,1]中，其表達(dá)式如下：

其中：

所述姿態(tài)子系統(tǒng)的輔助狀態(tài)觀測器如下：

上式中，B₂是待設(shè)計(jì)的正定對(duì)稱矩陣，是h₄的估計(jì)值，是估計(jì)誤差，是ρ₂的估計(jì)值，由下式得到：

其中，μ₂＞0和o₂＞0是待設(shè)計(jì)的常數(shù)，是p的估計(jì)值，是r的估計(jì)值，映射算子Proj{·}用來保證在區(qū)間[δ,1]中，其表達(dá)式如下：

其中

所述揮舞子系統(tǒng)的輔助狀態(tài)觀測器如下：

上式中，B₃和B₄是待設(shè)計(jì)的正常數(shù)，和分別是a和b的估計(jì)值，和表示估計(jì)誤差，和分別是ρ₃和ρ₄的估計(jì)值，由下式得到：

其中，μ₃＞0,μ₄＞0,o₃＞0和o₄＞0是待設(shè)計(jì)的常數(shù)，映射算子Proj{·}用來保證和在區(qū)間[δ,1]中，其表達(dá)式分別如下：

其中

(3)根據(jù)步驟(2)設(shè)計(jì)的3個(gè)子系統(tǒng)的輔助狀態(tài)觀測器，建立魯棒容錯(cuò)控制器以抑制故障對(duì)系統(tǒng)的影響，最終使得系統(tǒng)跟蹤上期望的參考軌跡。