[发明专利]固定翼无人机位置跟踪偏差约束下终端滑模控制方法

说明书

本发明公布了一种固定翼无人机位置跟踪偏差约束下终端滑模控制方法，用于解决固定翼无人机飞行控制系统受非线性及不确定性扰动影响导致飞行位置跟踪精度下降，以至于固定翼无人机整体系统不稳定的问题。该控制方法首先针对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，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，基于预设性能函数和快速非奇异终端滑模面设计有限时间约束控制器，并利用自适应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。本发明用于固定翼无人机位置跟踪偏差下的终端滑模约束控制。

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终端滑模控制方法，属于飞行器约 束控制领域。

技术背景

智能无人系统(Intelligent unmanned system)是人工智能与无人系统相结合的产物，在近 十年得到了迅猛的发展。而无人系统作为人工智能终端将起到越来越广泛的应用，其中无人机 (UAV,Unmanned Aerial Vehicles)是一种典型的自主式无人系统，在军事领域和民用领域都 起着非常重要的作用。目前，无人机广泛用于航拍、植保、环境监测、地图测绘，以及监视和 侦察、地面打击和电子对抗等。然而，目前的无人机技术大多停留在平稳飞行阶段，只能在有 限的滚转和俯仰姿态下飞行，不能发挥无人机的机动性能。随着应用范围的拓展和军事领域的 竞争，机动飞行已经成为未来无人机技术发展的关键点。随着飞行器任务要求的提高和飞行器 自身设计的复杂，对整个控制系统提出了更高的要求。近些年，无人系统的软硬件研究得到了 快速发展，飞行控制的发展经历了经典控制、现代控制，取得了很多突破，但仍然无法满足复 杂的任务需求。传感器的改进、智能控制的发展带来了新的可能，自主机动飞行和复杂系统的 控制有望在这些方面取得突破。加拿大麦吉尔大学通过风洞精确建模、姿态控制(考虑力的模 型)位置控制、推力控制，实现垂直悬停，刀刃特技仿真飞行。

由于固定翼的气动效率特别高，因此续航长、活动范围大，在大范围监控特别是森林防火 中的表现尤为突出，同时，在一些特殊的任务中，部分固定翼无人机需要在城市建筑物、树林 等复杂境地中飞行，机动飞行使无人机能够在复杂的环境中快速改变自身的姿态和位置，可以 极大地提高无人机的生存能力。而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 件等因素为无人机自主飞行带来一系列亟待解决的控制难题。出于机械制造和执行部件的物理 受限，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带来不利影响。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。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，很少具有针对约 束非线性系统动态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.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终 端滑模控制方法，保证固定翼无人机在外部扰动影响下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：