[發明專利]一種基于JAYA算法優化的小型無人直升機航向控制方法

有效

• 申請號: 202010960676.0
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112068594B
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發明（設計）人: 王華;張蓉;張佳禾;孫運東;董雨嫣;張榮威;胡立峰;張猛;梅露
• 申請（專利權）人: 江蘇信息職業技術學院
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 無錫萬里知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32263
• 代理人: 王傳林

1.一種基于JAYA算法優化的小型無人直升機航向控制方法，其特征在于，包括如下具體步驟：

步驟1：利用牛頓-歐拉法獲得小型無人機直升機航向動力學模型：

式中，φ、θ和ψ分別為橫滾角、俯仰角和偏航角，q、r分別為俯仰和偏航角速率，d為未知擾動，I_xx、I_yy和I_zz為三軸轉動慣量，N為偏航外力矩；N包含了主尾旋翼的幾何參數、空氣動力學參數以及控制輸入信號；為了簡化動力學模型，只分析其在懸停或低速飛行狀態，故有φ＝θ≈0；

步驟2：設計具有切換功能非奇異快速終端滑模控制律，即：

式中，為系統函數；α＞0和β＞0為控制器參數；q和p為控制器參數且滿足1＜q/p＜2，k＝(2-q/p)ε^q/p-1，λ＝(q/p-1)ε^q/p-2，ε＞0是誤差邊界；e＝x-x_d，分別為航向角跟蹤誤差、誤差的一階導數及誤差的二階導數；0＜γ＜1；σ和ξ為控制器參數；b是控制增益矩陣；D是已知常數，設定d_t，d_t是包含模型不確定性與外界干擾的集總干擾，假設d_t是連續的、可微的和有界的，即有

步驟3：選擇改進的時間乘以誤差絕對值積分為性能指標，并采用JAYA算法對所設計控制器的參數進行整定；

動力學參數通過基于預測誤差法PEM獲得，即，

將N在平衡點處線性化處理得到簡化的航向動力學模型：

式中，N_r為偏航阻尼系數，N_ped為偏航控制器參數，u_ped為尾旋翼槳距；

由于無人直升機主旋翼產生的氣流會改變尾旋翼流場分布，為改善航向操控品質，需增加偏航角速率反饋控制器；該反饋控制器的動態性能采用一階系統來比擬：

式中，r_fb為偏航角速率反饋信號，K_r、K_fb為系統參數；進而，航向模型中計入偏航附加響應，即，

式中，N_rfb為附加響應因子，偏航附加響應為N_rfb r_fb；

整理式(1)、(3)、(4)、(5)和(6)可得無人直升機的待辨識航向動力學模型為：

在Matlab系統辨識工具箱中選擇PEM算法辨識出模型中的參數：N_r、N_ped、K_r、K_fb和N_rfb；控制器選用的是具有切換功能的滑模面，

式中，α＞0，β＞0；h(x)的具體形式為：

式中，q和p為正奇數且滿足1＜q/p＜2，k＝(2-q/p)ε^q/p-1，λ＝(q/p-1)ε^q/p-2，ε＞0是誤差邊界；此處采用切換控制策略，有效避免控制律發生奇異性問題，即當e趨向0時，e^q/p-1會使得控制律趨向∞；

在控制器中，需要待整定的參數為：α、β、p、q、σ與ξ，引入JAYA來整定無人直升機偏航控制器的控制參數，即把待優化的參數看作是算法的解，最好的解就是最優或次優的控制器參數；算法中的更新公式為：

X'＝X+R₁(X_best-|X|)-R₂(X_worst-|X|) (9)

式中，X'是更新解，X、X_best和X_worst是目前種群的解、最好解與最差解；R₁與R₂是0到1之間的隨機數；

算法的目標函數采用的是改進的時間乘以誤差絕對值積分性能指標：

式中，t為仿真步長或時間，e(t)為系統的反饋誤差，t_s為調整時間，o_s為超調量，ω_i為權重因子，i＝1～4；

步驟4：在Matlab/Simulink的仿真環境中對滑模控制策略的有效性進行驗證。