[发明专利]一种基于观测补偿技术的航迹回路非线性模型变换方法

说明书

本发明公开了一种基于观测补偿技术的航迹回路非线性模型变换方法，属于无人机导航制导与控制技术领域。将固定翼无人机航迹回路运动模型分解为航迹偏角和航迹倾角运动模型、航迹速度运动模型以及横向位置和垂向位置运动模型，然后分别通过中间虚拟控制量的引入和方程的等效变换，将整个微分方程右端形式上与虚拟控制量线性无关的项视作总干扰，以获得航迹回路运动模型的仿射非线性形式，通过基于线性扩张状态观测器的观测补偿技术实现对各航迹运动状态和模型总扰动的估计，并在控制器时予以补偿。本发明方法实现模型仿射化处理，处理过程物理意义明确，参数整定方便，易于工程实现。

技术领域

本发明属于无人机导航制导与控制技术领域，具体涉及一种基于观测补偿技术的航迹回路非线性模型变换方法。

背景技术

无人机又称无人驾驶飞行器，广泛应用于军用和民用领域；无人机航迹回路模型是指描述无人机航迹运动的数学模型。随着无人机的执行任务日趋多样，人们对无人机飞行控制器抵抗外部不确定扰动性能的要求也日益提高，传统的仅依靠姿态回路控制器抵抗外部扰动的方法已无法满足需求，加之无人机航迹回路模型的非仿射非线性特性，进一步增加了对无人机轨迹回路抗扰动非线性控制的研究需求。研究一种实现无人机航迹回路模型的仿射化处理方法，对于实现无人机三维轨迹的抗扰动高精度跟踪控制具有重要的意义，可以广泛应用于无人机地形回避，编队飞行以及自主空中加油等特殊任务。

在无人机的轨迹跟踪控制中，实现无人机直接沿实时给定的轨迹进行飞行具有重要的实用价值，但由于固定翼无人机轨迹环运动方程的强非线性、强耦合性及非仿射性，加之许多非线性控制方法是基于被控对象仿射非线性模型设计的，目前的无人机非线性抗干扰跟踪控制器研究主要集中于姿态控制，如参考文件1[王婕,宗群,田栢苓,范文茹.基于拟连续高阶滑模的高超声速飞行器再入姿态控制[J].控制理论与应用,2014,31(09):1166-1173.]，参考文件2[Sun M,Zhang L,Wang Z,et al.PID pitch attitude control forunstable flight vehicle in the presence of actuator delay:Tuning and analysis[J].Journal of the Franklin Institute,2014,351(12):5523-5547]，鲜有将固定翼无人机轨迹控制和姿态控制在同一种抗干扰理论框架下设计的研究，直接导致了轨迹环控制器抗扰性能受限，同时也很大程度上制约了许多具有较好抗扰动能力的非线性控制方法在无人机轨迹控制方面的应用。该情况对于某些存在强复杂气流扰动的无人机应用场所是非常不利的。

目前在软管式自主对接控制方面，国内外从不同角度开展了大量研究工作，取得了许多卓有成效的研究成果，但总体而言，多重复杂扰动条件下自主对接控制的效果并不理想。NASA在2006年的自主空中加油演示验证飞行中6次对接只有2次成功。X-47B虽然完成了无人机首次空中加油试验，但其成功对接的视频中锥套运动非常平稳，表明当时的气流扰动非常小，显然是精心选择气象条件的结果。与之形成鲜明对比的是，类似大小的气流扰动情况下，国内外在人工控制的空中加油实践方面却非常成功，经过艰苦的训练，战斗机飞行员往往能够达到很高的空中加油对接成功率。