[發明專利]一種考慮姿態約束的高機動微型無人機控制方法

有效

• 申請號: 202110065566.2
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112684805B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 蔡志浩;孫幫樂;趙江;王英勛;孫家嶺
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明公開了一種考慮姿態約束的高機動微型無人機控制方法，首先搭建高機動微型無人機的運動學和動力學模型，其中，利用旋轉矩陣對無人機的姿態進行表示；然后根據非線性模型對位置控制算法和姿態控制算法分別進行設計。通過本發明的技術方案，能夠解決線性控制在高機動姿態約束場景下控制系統不穩定問題和歐拉角表示姿態時的不連續問題，具有姿態表示連續，控制系統魯棒性強等優點。

技術領域

本發明屬于飛行器控制技術領域，尤其涉及一種考慮姿態約束的高機動微型無人機控制方法。

背景技術

微型無人機具有體積小、重量輕、操作性強、可單人攜帶、隱蔽性好、操作方便等特點，具有巨大的軍事價值和民用價值。

與傳統飛行器不同，微型無人機在復雜環境下的自主飛行技術是一項極具挑戰性的研究課題。隨著無人機應對的場景越來越復雜，比如穿梭叢林或者窗口等姿態約束下的場景，要求的高機動性也相應的提高，所以使用傳統線性方法進行算法的設計難以滿足任務需求。

傳統的控制系統的設計思路首先根據小擾動線性化的方法對微型無人機的數學模型進行線性化，然后將位置控制回路與姿態控制回路分離，分別對兩部分依據線性模型單獨設計。其中，在姿態控制回路中采用歐拉角對姿態表示。這是一種簡單可行的方案，但實際上缺點同樣明顯，首先傳統設計方案依據的是線性化的模型，而忽略了微型無人機模型中的非線性項，在姿態約束場景下非線性項會變得很大，往往會造成機體的不穩定；其次，姿態采用歐拉角表示，實質上是將姿態間的變換轉為了繞三軸旋轉的角的組合，存在姿態不連續問題，不適合姿態約束下的控制任務，針對以上兩個問題，提出非線性控制方案，在線性控制的基礎上，加入了非線性補償，增加了控制系統的穩定性；用旋轉矩陣作為微型無人機的姿態表示，彌補了歐拉角姿態表示的缺陷。通過以上兩個改進確保了高機動微型無人機在姿態約束時的控制穩定性。

發明內容

為了解決上述已有技術存在的不足，本發明提出一種考慮姿態約束的高機動微型無人機控制方法，是一種基于旋轉矩陣的控制方法，以解決線性控制在高機動姿態約束場景下控制系統不穩定問題和歐拉角表示姿態時的不連續問題，具有姿態表示連續，控制系統魯棒性強等優點。本發明的具體技術方案如下：

一種考慮姿態約束的高機動微型無人機控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：搭建高機動微型無人機的非線性運動學和動力學模型，采用旋轉矩陣表示高機動微型無人機的姿態；

S2：設計位置控制算法；根據步驟S1中的非線性運動學和動力學模型，將控制算法設計問題轉為位置控制設計和姿態控制設計兩個子問題，設計位置控制算法得出所需的加速度控制指令以及期望拉力控制輸入；

S3：解算期望旋轉矩陣；由步驟S2的位置控制算法輸出的期望加速度解算出所需的旋轉矩陣以實現姿態控制；

S4：設計姿態控制算法；根據步驟S3解算的期望旋轉矩陣設計姿態誤差矩陣，依據非線性動力學對姿態控制算法進行補償，計算出所需期望力矩，完成姿態控制算法設計；

S5：調節控制算法參數；所述算法是針對姿態約束的場景，固定的控制增益不能控制所有高機動微型無人機飛行狀態，需在飛行時利用增益調度的方法調節控制算法參數，保證多種飛行狀態乃至姿態約束時高機動微型無人機的可控性。

進一步地，所述步驟S1中高機動微型無人機的運動學模型為：