[發明專利]基于鴿群智能優化動態逆控制的無人機軌跡跟蹤制導方法

在審

• 申請號: 202111148107.7
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113821054A
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 魏晨;余泓浩;段海濱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明公開一種基于鴿群智能優化動態逆控制的無人機軌跡跟蹤制導方法：步驟一：無人機的軌跡跟蹤制導控制建模；步驟二：無人機動態逆控制建模；步驟三：無人機四回路軌跡跟蹤制導控制建模；步驟四：鴿群智能優化無人機對航路的軌跡跟蹤制導；步驟五：輸出無人機軌跡跟蹤結果。本發明優點功效在于：一、提供了一種結合無人機飛行控制和軌跡跟蹤制導的無人機自主航路飛行框架，在降低任務復雜度的同時，提升了任務的魯棒性與可靠性；二、提出了一種利用動態逆控制的無人機軌跡跟蹤制導控制方法，支持跟蹤輸入的預期三維航路序列，即預期航路，具有靈活性；三、提出了一種鴿群智能優化控制的方法，實時跟蹤收斂效果更佳，符合實際需求。

技術領域

本發明涉及一種基于鴿群智能優化動態逆控制的無人機軌跡跟蹤制導方法，屬于無人機自主控制領域。

背景技術

軌跡跟蹤制導技術是解決飛行器按照預想路線進行自主飛行的一種有效手段，無人機在自主飛行狀態下對參考軌跡信號的有效跟蹤也是無人機自主控制很重要的一個方面，在通常的無人機控制方法設計過程中，無人機在飛行過程中存在很多的外界干擾，由于系統的復雜性、環境的變化、系統的損耗和錯誤的操作等，這些因素使得可靠的控制律設計變得相當復雜。本發明旨在利用鴿群優化算法的強魯棒性與動態逆控制方法的高度可靠性，設計無人機軌跡跟蹤制導方法，使得無人機在自主控制過程中能夠有效地跟蹤期望中的軌跡信號，實現穩定、可靠的飛行。

利用動態逆控制的無人機制導方法將飛機的數學模型(通常是非線性模型)，找出平衡點，將其線性化，而后將無人機的數學模型分為偏航、滾轉和俯仰三個不同的通道，然后分別分開來看每個通道，對每個通道先后用經典控制理論里的根軌跡法(極點配置)、頻域法等方法對無人機的自動控制律進行設計，從而使得無人機有較好的增穩控制系統、姿態控制系統和軌跡跟蹤控制能力(能較好的對給定的軌跡信號進行跟蹤控制)，無人機因此魯棒性能提高很多，在一定的外界干擾下或一定的誤差下能夠滿足預期的控制效果。這種運用了經典控制理論方法的控制律設計思路能夠較好的消除系統的誤差，有較好的抗外界干擾能力，而且易于實現。最優控制方法從數學上看其本質為：就是在一個控制方案的所有解中，選出最優的、所需要的代價最小的解作為最終的選擇解。工程中已經證實，運用最優控制律設計的控制系統有較好的魯棒性能。但在實際中，由于無人機總是存在模型不確定性因素，因此在這種情況下解決控制可靠性的問題需要解決。非線性動態逆是一種將一個非線性系統進行線性化然后進行相應的設計的容錯控制方法，應用于無人機非線性控制中。它是通過狀態反饋來消除模型中的非線性，進而使部分或全部的閉環系統線性化，而后可以利用控制分析方法中的線性系統的分析方法進行解決問題。增量非線性動態逆控制方法以傳感器所獲得的參數為基礎，對模型的不確定性比較不敏感，不需要嚴格的模型來跟隨，提高了系統的魯棒性能，在容錯控制方面能夠得到更好的應用。鴿群算法的思想是模擬鴿群利用地球磁場和地標組合來歸巢的過程。鴿群算法具有原理相對簡單、所需調整的參數較少、比較容易實現等特點。還有計算相對簡單,魯棒性較強等顯著優勢,相對于其他部分算法而言還有收斂速度較快的優勢。所以將鴿群優化對動態逆控制方法進行優化，設計出一種高效可靠的軌跡跟蹤制導方法。

發明內容

1、發明目的：

本發明是利用鴿群智能優化原理相對簡單、所需調整的參數較少、比較容易實現、強魯棒性與動態逆控制方法的高度可靠性的特點，用鴿群優化動態逆控制，從而設計無人機軌跡跟蹤制導方法，使得無人機在自主控制過程中能夠有效地跟蹤期望中的軌跡信號，實現穩定、可靠的飛行。

2、技術方案：

本發明是一種基于鴿群智能優化動態逆控制的無人機軌跡跟蹤制導方法，具體實現步驟如下：

步驟一：無人機的軌跡跟蹤制導控制建模

(1)無人機的狀態向量建模

無人機的控制需要實時的各種狀態向量，現不加推導的給出各狀態向量的動態方程的數學模型：