[发明专利]基于非线性规划和可达性分析的无人机飞行安全包线的计算方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性规划和可达性分析的无人机飞行安全包线的计算方法，包括如下步骤：1、根据无人机的动力学特性建立相应的非线性模型，主要包括非线性状态方程，状态和输入的约束等；2、基于可达平衡集理论，利用交替方向乘子法计算无人机的可达平衡集；3、以计算出的可达平衡集为基础集，分别计算基础集的前向可达集和后向可达集，取前向可达集和后向可达集的交集作为无人机的飞行安全包线。本发明针对无人机飞行安全问题，提出了一种确定飞行安全边界的方法，确定了无人机飞行过程中的状态限制，为无人机的边界保护控制提供了必要的基础。

技术领域

本发明涉及无人机飞行安全包线计算方法，尤其涉及一种基于非线性规划和可达性分析的无人机飞行安全包线的计算方法。

背景技术

随着无人机性能的提高，机动能力越来越强，与之而来的飞行安全性问题也引起了人们的重视。飞行安全是指航空器在运行过程中，出现运行失当或外来原因造成航空器上人员伤亡或航空器损坏的事件。与其他交通事故不同，飞行事故发生的概率较低但毁灭性巨大。纵观历史上发生的各类飞行事故可知，飞机从地面滑跑、起飞、爬升、巡航到最终着陆过程中，每个阶段都有不同的飞行事故发生，主要诱导因素也不尽相同，但可归类为驾驶员因素、环境因素、及系统故障等。

至今失控仍然没有统一的概念且诱因也未知。但国际上公认，飞行状态超出特定的飞行安全边界(也即飞行安全包线)可判定为失控，且失控问题不一定诱发飞行事故，但如果未察觉或放任不管则必定发生事故。

为了充分发挥无人机的机动能力，避免飞行事故的发生，揭示失控问题的机理，对无人机的飞行安全边界的计算进行研究具有重要的理论意义和工程价值。传统的飞行安全包线是指速度高度平飞包线，但即使是位于此包线内飞机仍然会因为外部扰动而诱发失控问题，因此学者给予飞行包线以新的概念。他们认为飞行包线由环境包线、结构包线以及动力学包线组成。动力学包线由于考虑了飞机的动力学特性而计算复杂所以引起广大学者的关注。这也是本发明关注的飞行包线。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于非线性规划和可达性分析的无人机飞行安全包线的计算方法，为飞行安全边界保护控制提供必要的基础。

技术方案：本发明的基于非线性规划和可达性分析的无人机飞行安全包线的计算方法，包括以下步骤：

S1、根据无人机的动力学特性建立其非线性状态方程模型，利用仿真模拟、风洞实验、飞行实验或理论计算确定其状态量和输入量的取值范围；

S2、基于可达平衡集理论，将无人机非线性状态方程的可达平衡集的计算转化为等价的优化问题，再利用交替乘子法求解对应的优化问题，进而获得无人机非线性状态方程的可达平衡集；

S3、将步骤S2计算所得的可达平衡集作为基础集，基于可达性分析理论，分别计算基础集的前向可达集和后向可达集，进而取其交集作为无人机的飞行安全包线。

进一步的，步骤S1中无人机非线性状态空间模型为：

其中，为系统状态量，为系统输入量，为非线性函数，和分别为状态量和输入量的约束，具体形式如下所示：

其中，x_i,min为第i个状态量x_i的最小值，x_i,max为第i个状态量x_i的最大值，i＝1,2,...,n， u_j,min为第j个输入量u_j的最小值，u_j,max为第j个输入量u_j的最大值，j＝1,2,...,m。

进一步的，步骤S2中将无人机非线性状态空间模型的可达平衡集的计算转化为等价的优化问题具体为：

可达平衡集表示为：