[发明专利]一种火星探测无人机飞行高度自适应容错控制方法

说明书

本发明涉及一种火星探测无人机飞行高度自适应容错控制方法，该方法针对执行器故障设计了基于连续型特征模型的自适应容错控制器，其通过以下步骤实现：(1)根据在速度坐标系下火星探测无人机的纵向运动方程建立其连续型特征模型；(2)利用参数估计算法对连续型特征模型的系数进行在线辨识，得到连续型特征模型系数的估计值；(3)根据连续型特征模型系数的估计值设计自适应容错控制器；(4)由自适应容错控制器得到控制力矩，并将其施加到火星探测无人机的控制系统以控制飞行高度。使用该方法能确保故障发生前、后的控制精度均很高，且降低了控制器设计的复杂性，简化了控制计算，提高了控制的实时性。

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种火星探测无人机飞行高度自适应容错控制方法。

背景技术

作为距离地球最近的行星之一，火星已经成为人类进行深空探测的重要目标天体。火星探测无人机作为火星探测科学平台，比火星表面探测器具有更大的活动范围，且具有比其他科学平台更高的操纵性。火星探测无人机可以对接近火星表面的大气进行科学测量，得到在指定高度内的大气成分、密度等信息，可以对一个相对较大的范围进行地磁测量，得到火星指定范围内的地磁分布。整个探测任务要求火星探测无人机保持一定的飞行高度。

然而，正如文献“基于复合抗饱和策略的火星飞机自适应控制”(见《航天控制》，2017年第3期，作者：韩少君，倪昆，熊寸平，张庆振)所述：火星探测无人机控制系统设计中面临几大突出问题：控制受限、强干扰和不确定性。火星大气具有很大的不确定性，时常出现狂风，沙尘等恶劣天气，并且火星探测无人机巡航飞行时，由于飞行跨度过大或遇到外界干扰易使火星探测无人机的状态发生突变，因此，火星探测无人机在执行任务过程中，难免会发生系统故障，常见的是控制系统执行器的故障。一旦其执行器发生故障，人类难以对火星探测无人机进行直接干预，不仅降低了火星探测无人机工作时的可靠性，而且会带来预想不到的负面影响。鉴于此，要提高火星探测无人机的可靠性，设计出稳定的控制系统，就需要考虑在执行器发生故障情况下的自适应容错控制问题。但是，现有技术尚未公开有有效的火星探测无人机容错控制的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时性好，控制精度高，且能保证闭环系统稳定性的一种火星探测无人机飞行高度自适应容错控制方法，以提高火星探测无人机飞行高度控制系统的可靠性，防止因执行器故障引起的飞行高度失控。

实现本发明目的的技术方案是：一种火星探测无人机飞行高度自适应容错控制方法，其通过以下步骤实现：

第一步，根据(1)式所给出的在速度坐标系下火星探测无人机的纵向运动方程，建立由(4)式所描述的连续型特征模型：

(1)式中：v为火星探测无人机的飞行速度，γ为航迹倾斜角，h为飞行高度，α为攻角，q为俯仰角速度；u为俯仰控制力矩，是系统的输入，y为系统的输出；m为无人机的质量，F为作用在机体上的拉力，δ为拉力方向与水平方向的夹角，G为火星重力加速度，I_y为绕纵轴的转动惯量，f为故障项，其表达式为：为故障函数，β(t-T_f)是故障开关函数，定义为：

T_f为执行器故障发生的时刻；D、L分别为作用在机体上的阻力、升力，D、L的表达式分别为：

(2)和(3)式中：ρ为火星表面大气密度，S_w为参考面积；(2)式中：C_d为阻力系数，(3)式中：C₁为升力系数；