[發明專利]基于模糊聚類的飛翼無人機的包線劃分以及增益調度方法

在審

• 申請號: 202011292602.0
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112487552A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 李春濤;趙振根;梁惠勇;程磊;李雪兵;蘇子康
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20;G06K9/62;G06F17/16;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

1.基于模糊聚類的飛翼無人機的包線劃分以及增益調度方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：將無人機飛行包線根據速度、高度進行等梯度取樣，選擇每個樣本點對應的系統矩陣作為飛行包線的飛行狀態樣本集；

步驟2：根據劃分有效性指標確定最優的模糊聚類算法參數：聚類中心數和模糊指數；

步驟3：利用模糊聚類算法對飛行包線樣本集劃分得到典型的飛行狀態和隸屬度矩陣；

步驟4：基于步驟3的包線劃分結果，選取速度和動壓作為飛行控制律的調度變量；

步驟5：選取Sigmoid型隸屬度函數修正由模糊聚類得到的速度和動壓的隸屬度曲線；

步驟6：根據T-S模糊增益調度算法計算最優控制增益。

2.根據權利要求1所述的基于模糊聚類的飛翼無人機的包線劃分以及增益調度方法，其特征在于，所述步驟1中，無人機的狀態空間表示為

其中，x表示狀態變量，u表示控制變量，y表示輸出量，A表示系統矩陣，B表示控制矩陣，C表示輸出矩陣，D表示前饋矩陣；

選擇每個樣本點對應的A陣作為飛行包線劃分樣本。

3.根據權利要求1所述的基于模糊聚類的飛翼無人機的包線劃分以及增益調度方法，其特征在于，所述步驟2中，劃分有效性指標包括劃分系數PC、劃分指數SC、劃分熵CE和Xie-Beni指數，其數學表達式為：

其中，c表示聚類中心數，N表示樣本數據集大小，μ_ik表示第k個樣本相對第i個聚類中心的隸屬度值，m表示模糊度指數，X_k表示第k個數據樣本，V_i表示第i個聚類中心，V_j表示第j個聚類中心；

通過對比不同聚類中心數和模糊度指數下劃分有效性指標的大小，選擇最優的包線劃分聚類中心數和模糊度指數。

4.根據權利要求3所述的基于模糊聚類的飛翼無人機的包線劃分以及增益調度方法，其特征在于，所述步驟3中，利用模糊聚類算法進行飛行包線劃分轉換為一個帶約束的非線性規劃問題，通過尋求最優解獲得數據集的聚類中心和劃分隸屬度值，目標函數表示樣本點與聚類中心的距離總和，其數學表達式為：

其中，X為飛行狀態集、為隸屬度矩陣，V＝{V_i|1≤i≤c,V_i∈Rⁿ}表示聚類中心集合，Rⁿ表示聚類中心的維數，d_ik表示第k個數據樣本和第i個聚類中心的距離；

模糊聚類算法的迭代計算步驟包括：

1)計算聚類中心：

2)計算新的距離范數：

3)計算新的劃分矩陣：

當||U^(l)-U^(l-1)||＜ε,則迭代結束,否則繼續；

其中，V_i^(l)表示第l步的V_i，表示第(l-1)步u_ik，d_jk表示第k個數據樣本和第j個聚類中心的距離，U^(l)、U^(l-1)分別表示第l和(l-1)步的隸屬度矩陣，ε表示算法收斂誤差。

5.根據權利要求4所述的基于模糊聚類的飛翼無人機的包線劃分以及增益調度方法，其特征在于，所述步驟5中，Sigmoid型隸屬度函數表達式為：

其中，a表示描述Sigmoid型曲線的傾斜程度的參數，e表示Sigmoid型曲線中點的位置。

6.根據權利要求5所述的基于模糊聚類的飛翼無人機的包線劃分以及增益調度方法，其特征在于，所述步驟6包括：綜合速度和動壓的隸屬度函數f_i1,f_i2，則組合隸屬度函數為μ_i＝f_i1f_i2，則對于特定的飛行狀態，其最優的控制增益通過下式計算：

其中，f_i1,f_i2,i＝1,…c分別表示速度和動壓相對第i個聚類中心的隸屬度函數，K_i為第i個典型飛行狀態對應的控制增益。