[发明专利]小型无人直升机的无模型自适应鲁棒控制方法

说明书

本发明涉及无人机控制方法，为针对小型无人直升机，设计一种鲁棒性较好，同时可以弥补动力学系统不确定性的自适应律与非线性控制器。本发明采用的技术方案是，小型无人直升机的无模型自适应鲁棒控制方法，步骤如下：设计控制器，用于根据前一时刻的姿态采样数据以及控制器输出采样数据，对当前时刻控制器的输出数据进行实时调整和补偿，从而达到良好的小型无人直升机姿态控制；其中：(1)建立小型无人直升机相关的坐标系：(2)建立以无人机利用直升机的横向周期变距、纵向周期变距以及尾桨总距与无人机滚转角、俯仰角、偏航角的之间的动力学模型；(3)设计非线性控制器。本发明主要应用于无人机控制场合。

技术领域

本发明涉及一种无人机控制方法，特别是涉及一种基于无模型自适应控制理论的控制方法。具体讲,涉及小型无人直升机的无模型自适应鲁棒控制方法。

背景技术

小型无人直升机是不需要人驾驶，能够完成自主飞行任务的特殊飞行器。此类飞行器具有垂直起降、低空飞行等诸多特点，在各个领域得到了广泛的应用。同时，由于无人直升机具有强耦合、非线性、数学模型复杂等特点，使得对无人直升机的动力学分析建模和控制器设计都较为困难。

随着小型无人直升机的应用范围日益增大，针对小型无人直升机的控制算法研究成为无人机研究领域的热点问题之一。无人直升机执行的任务越来越复杂，PID以及LQR等控制已无法满足控制精度的要求，我们需要找出更有效的非线性控制算法来控制无人机，如滑膜控制，鲁棒控制，神经网络控制，数据驱动控制，机器学习等，完成更复杂的任务。

北京航空航天大学的研究者们自主研究的无人直升机具有一定的代表性。他们将Raptor90和AF25B型小型工业用直升机改造成全自主无人机。随着软硬件升级和控制任务要求，研究者们逐渐研究成一系列的全自主无人飞行器(期刊：Acta Automatica Sinica；著者：杜玉虎,房建成,盛蔚等；出版年月：2012年；文章题目：一种小型无人直升机自主起飞控制方法；页码：1385-1392)(期刊：机器人；著者：杜玉虎,房建成,盛蔚等；出版年月：2012年；文章题目：基于最小二乘与自适应免疫遗传算法的小型无人直升机系统辨识，页码：72-77)。

清华大学的研究人员针对共轴式无人直升机非线性、强耦合的动力学特性，提出了一种基于动态反馈线性化方法的鲁棒跟踪控制策略。首先根据叶素理论、Pitt-Peters动态入流模型、上下旋翼气动干扰分析建立了共轴式无人直升机的数学模型，然后对于髙度-姿态子系统，通过扩展状态变量对其进行了动态反馈线性化，分析了零动态特性。根据内环期望跟踪特性对解耦后的子系统进行极点配置。通过设计鲁棒补偿器实现了对高度与姿态指令的鲁棒跟踪。在此基础上，针对水平面内的位置子系统设计了外环比例微分控制器以实现位置跟踪。最后，通过内环跟踪仿真验证了反馈线性化方法良好的解耦特性，通过干扰条件下的轨迹跟踪仿真验证了所设计控制器具有较好的控制性能与鲁棒性(期刊：控制理论与应用；著者：袁夏明,朱纪洪,毛漫；出版年月：2014年；文章题目：共轴式无人直升机建模与鲁棒跟踪控制；页码：1285-1294)。

斯坦福大学利用所研发的无人直升机进行空中运输，考虑到当今运输的货物越来越重，运输距离越来越远，斯坦福大学的研究人员们，希望使用两架直升机携带一个负载，称为双提升，来满足直升机载重提升的需求，从而避免了设计和开发非常昂贵的重型直升机(期刊：American Helicopter Society；著者：Berrios M G,Tischler M B,Cicolani LS,et al；2014年；文章题目：Stability,control,and simulation of a dual liftsystem using autonomous r-max helicopters；页码：134-142)。