[发明专利]一种存在变分布网络随机延迟的微小型无人飞行器纵向控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及存在变分布网络随机延迟的微小型无人飞行器纵向控制，属于飞行控制技术领域，具体涉及一种存在变分布网络随机延迟的微小型无人飞行器纵向控制方法。

背景技术

当前已经有多达三十多个国家投入大量人力和财力从事无人机的研究和生产。经过二十年的发展，该项技术已经比较成熟，在军民各个领域发挥着作用，尽管如此，单架无人机在遂行任务时存在着一些问题，例如单架无人机可能受到传感器的数量限制，不能从多角度全方位的对目标区域进行观察，面临大面积搜索任务时，不能有效的覆盖整个搜索区域；如果执行的是救援任务，单架无人机在载荷方面受到限制，往往影响整个救援的效能，带来更大损失，另外，一旦单架无人机出现故障，必须立即中断任务返回，可能会延误救援时机。

针对单架无人机的上述缺点，近些年提出了编队飞行控制的概念并取得了一定得研究成果，其中网络飞行控制系统设计是编队飞行控制是否成功的决定性因素，目前无人机群编队控制主要采用集中式控制结构：将编队成员分成一个长机和若干僚机，长机将自身的制导回路信息通过无线通信网络发送给僚机，僚机接收到长机的信息后与自身的制导回路信息比较，按照某种队形结构计算自身的制导指令进而与长机以一定队形结构飞行。由于无人机制导回路的惯性大，带宽较窄，而按照最优随机控制的观点，网络延迟往往可以等效为频率相对较高的白噪声，因此集中式控制体制下的网络延迟对编队队形控制的影响不大。近些年来，随着分布式编队控制的发展，要求编队成员不仅要在制导回路进行协调，甚至是控制回路也要进行协调，这就对网络飞行控制系统设计提出了较高的要求，由于控制回路的带宽相对制导回路宽，很有可能将网络延迟近似的噪声纳入到带宽之内，故网络延迟可能导致飞控系统控制品质恶化。

网络飞行控制系统设计的概念是：针对无人机编队飞行过程中的无线通信网络延迟、丢包和时序错乱情况，设计飞行控制系统，满足系统对超调量和调节时间等性能指标的要求。大量的网络测试研究表明网络状况是随时间变化而变化的，在不同的网络状态下，采用与之相适应的状态反馈增益能提高网络控制系统的控制品质，因此依据不同的网络状况调度相适应的状态反馈增益是非常有必要的。增益调度的方法分为传统增益调度、基于LPV（线性变参数）的增益调度和基于回路成形的鲁棒增益调度三种，其中后两种方法有严格的数学证明和可量化的控制品质评价标准，但是增益调度结构复杂，不利于实现和在线调整；增益调度设计过程复杂，不易为工程设计人员掌握。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，针对无人飞行器编队飞行过程中不可避免的无线自组织网络随机延迟问题，引入了随机鲁棒分析与设计方法，设计了无人机的控制律，解决了传统的线性二次型调节器（LQR）控制对通信质量要求较高和鲁棒性较差的缺点，降低了对编队无线数据链更新率的要求；根据不同的网络随机延迟，提出了基于线性插值的增益调度策略，拓宽了线性控制系统的控制范围，使飞行器在存在较大网络随机延迟变化的情况下控制品质仍能满足要求。控制策略简单不含复杂数学运算，便于有实时性要求的情况下进行工程实现。采用这种控制策略可以降低对无人机编队无线数据链更新率的要求，进而能够增强无人机群编队的鲁棒性。

本发明提供的一种存在变分布网络随机延迟的微小型无人飞行器纵向控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一：建立无人飞行器纵向系统模型并设计不存在网络延迟的飞行控制系统；

具体为：

（1）根据风洞吹风获得无人飞行器动力学参数和物理参数；

（2）建立飞行器纵向非线性动力学与运动学方程；

（3）解耦线性化，得到无人飞行器纵向线性状态方程；

（4）LQR设计控制律；

步骤二：在不同网络随机延迟条件下，进行飞行控制系统随机鲁棒性分析与设计；

步骤三：确定飞行控制系统的增益调度策略；

采用线性插值进行网络飞行控制系统的增益调度，假设网络延迟在τ₁和τ_i之间，网络随机延迟在τ₁～N(μ₁,σ₁)，τ₂～N(μ₂,σ₂)......τ_i～N(μ_i,σ_i)时分别利用随机鲁棒分析与设计方法设计的控制系统参数控制器当前测量的网络延迟为τ_N，则实际采用的控制器反馈系数K_N为：