[发明专利]固定翼无人机位置跟踪偏差约束下有限时间控制方法

说明书

本发明公布固定翼无人机位置跟踪偏差约束下有限时间控制方法，用于固定翼无人机位置跟踪偏差下的有限时间约束控制。该控制方法首先将固定翼无人机在惯性坐标系中的运动学和三自由度动力学模型转化为仿射形式，考虑不确定性扰动，建立固定翼无人机外环位置跟踪控制模型；其次，基于backstepping控制理论和障碍Lyapunov函数设计约束控制器，采用有限时间滤波器处理backstepping控制中的“微分代数环”问题；然后，利用扰动观测器估计模型中的不确定性扰动以提高固定翼无人机外环约束控制精度；最后，证明整体闭环系统的稳定性。该方法解决了无人机飞行控制系统受非线性及不确定性扰动影响导致跟踪精度下降的问题。

技术领域

本发明涉及一种针对固定翼无人机位置跟踪偏差约束的有限时间控制方法，属于飞行器约束控制领域。

技术背景

在无人机飞行系统中，无人机的自主飞行是一类综合性较强的跨领域研究课题，涵盖了信息融合、任务规划、导航控制等多项研究内容。在飞行控制领域中，复杂多变的任务环境、参数不确定的扰动和多状态的受限条件等因素无疑为无人机自主飞行带来一系列亟待解决的控制难题。出于安全性、机械制造和执行部件的物理受限等实际应用方面的考虑，控制系统中通常存在约束现象，如果在无人机飞行系统的控制设计环节不考虑相关的物理约束条件，系统基于无约束下的控制方案执行飞行任务期间，违反约束限制的情况可能为系统性能和闭环系统的稳定性带来一定的不利影响，甚至导致飞行器系统设备的损坏以及危险事故的发生，威胁人身安全并造成不必要的人力物力、财力的损失。固定翼无人机的位置跟踪控制要求无人机尽可能跟踪任意一条指定的飞行路线，以达到飞行任务的完成。在实际的复杂任务环境下，如地质勘探任务中的山丘、丘陵地形，对固定翼无人机这类非线性系统而言，不确定扰动通常会引起无人机位置跟踪响应速度变慢、精度下降等，因此在有限时间内完成跟踪偏差的收敛是保证无人机安全稳定控制的必要手段，将跟踪偏差约束在某一预先设定的范围内可以保障无人机外环控制的精度，保障其动态性能和整体稳定性，使无人机在完成复杂任务的同时充分体现其原有机动灵活的性能优势，对于固定翼无人机的安全飞行具有重要的现实意义。

固定翼无人机位置跟踪偏差约束下有限时间控制涵盖约束控制和飞行控制两方面，约束控制可确保无人机控制暂态及动态性能保持在预先规定的约束条件，飞行控制则确保固定翼无人机飞行系统的稳定性和鲁棒性。目前很多先进的控制方法已被广泛的应用在无人机的约束控制中，如自适应控制，滑模控制，backstepping控制，神经网络控制，模糊控制等。其中backstepping 控制通过引入虚拟控制信号量使得Lyapunov稳定性证明函数和控制器的设计过程系统化、结构化，体现出特有的优势而被广泛应用。现有的非线性系统约束控制方案成果颇多，但仍存在以下不足：

1.现有约束控制方案大多是要求非线性系统的稳态性能达到一定指标，没有针对性的约束非线性系统收敛快速性的技术手段，同时多为鲁棒形式的控制，保守性很大，且针对于固定翼无人机外环位置跟踪偏差的约束控制相对较少；

2.在解决backstepping控制理论中的“计算爆炸”问题时多采用以低通滤波器为基础的动态面控制技术，较少从系统的动态性能出发考虑以有限时间控制为基础的指令滤波器，为更好的体现backstepping控制在固定翼无人机位置跟踪偏差约束控制中的优势，还需要更深入的研究；

3.目前大多数固定翼无人机外环位置跟踪偏差约束控制律中较少对扰动和建模不确定性同时进行有界估计，可能导致控制精度和约束性能不理想，无法保证控制信号的有界性和工程可实现性。

发明内容

发明目的

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种固定翼无人机位置跟踪偏差约束下有限时间控制方法，保证固定翼无人机在跟踪期望位置信号的同时，在有限时间内将跟踪偏差约束在预先规定的约束范围内。

技术方案

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：