[發明專利]一種無人直升機魯棒容錯跟蹤方法

有效

• 申請號: 201910139758.6
• 申請日: 2019-02-26
• 公開（公告）號: CN109991991B
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發明（設計）人: 陳謀;閻坤;吳慶憲;姜斌;盛守照;邵書義;張柯
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 施昊

本發明公開了一種無人直升機魯棒容錯跟蹤方法。建立同時包含主旋翼揮舞動態和執行器故障的無人直升機6自由度非線性動態模型；將無人直升機系統分為位置子系統、姿態子系統和揮舞子系統，分別對每個子系統設計輔助狀態觀測器；根據設計的3個子系統的輔助狀態觀測器，建立魯棒容錯控制器以抑制故障對系統的影響。本發明能夠在考慮旋翼揮舞動態和執行器故障的影響下保持穩定，同時跟蹤上期望的參考軌跡。

技術領域

本發明屬于飛行器魯棒容錯技術領域，特別涉及了一種無人直升機魯棒容錯跟蹤方法。

背景技術

無人直升機是一種不載操作人員、利用機載傳感器和自動控制系統自主執行給定任務或者通過無線電遙控設備發送遙控指令執行任務的飛行器。與固定翼無人機相比，無人直升機具有以下特點：

1)能夠完成定點懸停、垂直起降、原地轉彎、任意方向飛等功能；

2)不需要特定的機場和跑道，可以在野外惡劣環境下實現垂直起降；

3)由于無人直升機的旋翼自轉特性，在發動機發生故障導致空中停車時，利用旋翼自轉所產生的動力，可以安全下降、著陸。

正是由于這些獨特的優點，使得無人直升機在敵情偵察、電子對抗、通信中繼、搜索救護、交通監控、空中攝影及航空測繪等方面具有廣泛的應用前景，成為近年來無人機領域研究的熱點。但是，無人直升機本身是一個典型的欠驅動強耦合多變量系統。其有六個運動自由度，若加上揮舞動態、姿態角，還要更多。然而可以用以操縱的控制量除了油門只有四個。這四個操縱量對機體的角速度、姿態和速度的控制作用，不會是相對獨立的，而是同時影響多個變量。同時系統狀態之間也有明顯的耦合，比如橫縱向揮舞的軸間耦合。因此，從控制理論的角度來看，無人直升機控制是個十分典型的強耦合多輸入多輸出控制問題。對其設計高質量的非線性控制器具有重要的理論和實際意義。

同時，在無人直升機的飛行過程中，系統故障的存在也是另一個不容忽視的問題，比如執行器故障、傳感器故障、結構性故障等。而且由于人類的不可干預性與環境的不確定性，其故障發生的機率較固定翼飛機明顯增大，如果故障不能有限的控制周期內被有效檢測或者處理，無人直升機就會因其靜不穩定的特點失去控制，導致重大損失。此時，基于標稱系統設計的控制律一般很難達到期望的性能指標。因此，為提高無人直升機系統的可靠性、可維護性，對其進行故障診斷與容錯控制的研究就成為迫切任務，具有重要意義。

因此，為了提高系統的魯棒性和安全可靠性，在對無人直升機設計非線性控制器時，需要考慮系統故障的影響。

發明內容

為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發明旨在提供一種無人直升機魯棒容錯跟蹤方法，在考慮旋翼揮舞動態和執行器故障的影響下保持穩定，同時跟蹤上期望的參考軌跡。

為了實現上述技術目的，本發明的技術方案為：

一種無人直升機魯棒容錯跟蹤方法，包括以下步驟：

(1)建立同時包含主旋翼揮舞動態和執行器故障的無人直升機6自由度非線性動態模型；

(2)將無人直升機系統分為位置子系統、姿態子系統和揮舞子系統，分別對每個子系統設計輔助狀態觀測器；

(3)根據步驟(2)設計的3個子系統的輔助狀態觀測器，建立魯棒容錯控制器以抑制故障對系統的影響，最終使得系統跟蹤上期望的參考軌跡。

進一步地，在步驟(1)中，無人直升機6自由度非線性動態模型如下：