[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

本發明公開了一種基于JAYA算法優化的小型無人直升機航向控制方法，用來解決小型無人機直升機在模型不確定性和外界干擾下的航向通道控制問題。通過牛頓?歐拉法獲得無人直升機的偏航動力學模型，在平衡點處對模型作簡化處理，同時計入了偏航角速率反饋機制；選擇具有切換功能的非奇異快速終端滑模函數來設計偏航控制器，并在Lyapunov理論框架下證明系統誤差能在有限時間收斂到零；引入JAYA算法對上述控制器的參數進行整定，保證了優化的質量與效率；在Matlab/Simulink的仿真環境中對該控制策略的有效性進行驗證。本發明可以有效解決小型無人直升機的抗干擾控制問題，抑制中傳統滑?？刂浦械亩墩瘳F象，提高系統控制精度與魯棒性，實現小型無人直升機高精度軌跡跟蹤控制。

技術領域

本發明涉及無人機飛行控制器技術領域，特別是涉及一種基于JAYA算法優化的小型無人直升機航向控制方法。

背景技術

近年來，旋翼飛行器在軍用與民用領域需求倍增，如戰場勘察、地理測繪、旅游航拍、交通管制、環境監測等，根據旋翼數目的不同，旋翼飛行器可分為單旋翼和多旋翼；單旋翼前飛時升阻比要高于多旋翼，空氣動力性能好；與多旋翼依賴轉速來控制升力或轉向不同，單旋翼只需調整旋翼槳距就可實現，故擁有更長的續航能力和更強的抗風能力。

因此，本文以單旋翼小型無人機直升機為研究對象，在小型無人機直升機控制結構中，航向通道控制影響著整個飛行器的操控品質與機動性能，所以航向控制一直是學者們研究的重點，然而，由于小型無人機直升機一個強耦合、欠驅動的非線性系統，設計高質量的航向控制器有著巨大的挑戰。

對于小型無人機直升機航向控制的研究，文獻報道持續更新、未曾中斷，例如，Marcel等利用混合控制算法實現了小型無人機直升機的偏航穩定控制，即引入LQR控制策略配置無人機系統中的不穩定極點，并用PID算法鎮定住偏航通道的狀態量(BERGERMAN M,AMIDI O,MILLER J R,et al.Cascaded position and heading control of a robotichelicopter[C]//2007IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robotsand Systems.IEEE,2007:135-140.)；Raptis等針對小型無人機直升機的解耦動力學模型采用PID算法設計了軌跡跟蹤控制器，在仿真環境下通過控制偏航角實現了螺旋上升曲線和8字型曲線的跟蹤(RAPTIS I A,VALAVANIS K P.Linear and nonlinear control ofsmall-scale unmanned helicopters[M].Springer ScienceBusiness Media,2010:73-102.)；在由參數辨識方法獲得無人直升機的航向線性模型后，Ding等采用線性自抗擾控制器使得飛行器在仿真和試驗環境中獲得了不錯的操控品質(Ding L,Ma R,Wu H,et al.Yawcontrol of an unmanned aerial vehicle helicopter using linear activedisturbance rejection control[J].Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part I:Journal of Systems and Control Engineering,2017,231(6):427-435.)；但上述這些線性控制策略具有一定的局限性，即不能描述大范圍的飛行包線，當遇到突發狀況時，往往需要靠提高控制增益量來修正當前狀態，這可能會導致執行器飽和，嚴重時甚至會破壞動力單元，作為一種非線性控制策略，滑?？刂圃跓o人機控制中受到了學者們的青睞。

雖然該控制策略能提高無人機對周遭環境的魯棒性與適應性，但也存在強抖振、大超、長調整時間的缺陷，另外，當無人機在高空飛行時往往會遭遇到五到六級以上的陣風，因此控制器設計時還必須考慮抗干擾性，為此，本申請本間采用切換控制的思想來改進非奇異快速終端滑模函數，保證系統狀態量能在有限時間內到達平衡點，加快系統的動態響應，滿足偏航角的快速控制的需求。