[發(fā)明專(zhuān)利]一種微型撲翼飛行器可避免奇異狀態(tài)的位置跟蹤控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010039990.5
• 申請(qǐng)日: 2020-01-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111240357B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金龍;常振強(qiáng);劉梅;李帥;杜秀娟
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 蘭州大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/10
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/10
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明提供了一種微型撲翼飛行器可避免奇異狀態(tài)的位置跟蹤控制方法，包括如下步驟：1)給出微型撲翼飛行器位置控制的拉格朗日型動(dòng)力學(xué)方程；2)結(jié)合步驟1給出的微型撲翼飛行器的拉格朗日型動(dòng)力學(xué)方程，建立涉及時(shí)變矩陣求逆運(yùn)算的位置控制的數(shù)學(xué)模型；3)結(jié)合步驟2，設(shè)計(jì)可以避免S2中時(shí)變矩陣求逆問(wèn)題的位置控制器，設(shè)計(jì)求解器并定義誤差函數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控求解過(guò)程。此方法巧妙地避免了算法求解過(guò)程中的時(shí)變矩陣求逆操作，降低了計(jì)算復(fù)雜度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及飛行器控制領(lǐng)域，具體涉及一種微型撲翼飛行器可避免奇異狀態(tài)的位置跟蹤控制方法。

背景技術(shù)

撲翼飛行器是一種模仿鳥(niǎo)類(lèi)或昆蟲(chóng)飛行的仿生飛行器，它將升降、懸停和推進(jìn)功能集于一身，依靠撲翼的飛行方式，能夠快速有效地改變撲翼飛行器的位置和姿態(tài)。與固定翼和旋翼飛行器相比，撲翼飛行器具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，且能耗低、噪音小、質(zhì)量輕，能夠完成其它種類(lèi)飛行器無(wú)法完成的任務(wù)，在國(guó)防軍事以及民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。仿生學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)研究成果表明，在微型化方面(翼展小于15cm時(shí))，撲翼飛行比固定翼和旋翼飛行更具優(yōu)勢(shì)，因此微型撲翼飛行器在微型飛行器研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

由于微型撲翼飛行器的飛行機(jī)理復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)微型撲翼飛行器的位置跟蹤控制一直是該研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。以往的微型撲翼飛行器位置跟蹤控制算法在求解時(shí)往往涉及到矩陣求逆過(guò)程，在矩陣求逆過(guò)程中極有可能出現(xiàn)奇異點(diǎn)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)崩潰。

針對(duì)微型撲翼飛行器跟蹤控制問(wèn)題，本發(fā)明提出一種微型撲翼飛行器可避免奇異狀態(tài)的位置跟蹤控制方法，此方法巧妙地避免了算法求解過(guò)程中的時(shí)變矩陣求逆操作，減小了計(jì)算復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種微型撲翼飛行器可避免奇異狀態(tài)的位置跟蹤控制方法，其目的在于實(shí)現(xiàn)微型撲翼飛行器的位置跟蹤控制，并通過(guò)避免算法中的時(shí)變矩陣求逆操作，使控制系統(tǒng)沒(méi)有了因奇異狀態(tài)問(wèn)題導(dǎo)致崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，降低了計(jì)算復(fù)雜度。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下：

一種微型撲翼飛行器可避免奇異狀態(tài)的位置跟蹤控制方法，包括如下步驟：

S1：給出微型撲翼飛行器位置控制的拉格朗日型動(dòng)力學(xué)方程；

S2：結(jié)合S1給出的微型撲翼飛行器的拉格朗日型動(dòng)力學(xué)方程，建立涉及時(shí)變矩陣求逆運(yùn)算的位置控制的數(shù)學(xué)模型；

S3：結(jié)合S2，設(shè)計(jì)可以避免S2中時(shí)變矩陣求逆問(wèn)題的位置控制器，設(shè)計(jì)求解器并定義誤差函數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控求解過(guò)程。

本發(fā)明提供了一種微型撲翼飛行器可避免奇異狀態(tài)的位置跟蹤控制方法，在處理微型撲翼飛行器的位置跟蹤控制問(wèn)題時(shí)避免了算法中的時(shí)變矩陣求逆操作，減小了計(jì)算復(fù)雜度。

所述步驟S1給出的微型撲翼飛行器位置控制的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程為：

其中，表示質(zhì)量矩陣，m為微型撲翼飛行器的總質(zhì)量，q_t＝[x?yz]^T是微型撲翼飛行器在慣性坐標(biāo)系中的位置，是q_t對(duì)時(shí)間t的二階導(dǎo)數(shù)，G_t＝[0?0?-mg]^T表示重力向量，g＝9.8m/s²為重力加速度常數(shù)，q_r＝[θ₁?θ₂?θ₃]^T表示機(jī)體坐標(biāo)系中的歐拉角，u_t表示位置控制器，R^IB表示旋轉(zhuǎn)矩陣，為時(shí)變矩陣。