CN107193213B - 一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，将禁飞区边界参数作为飞行器运动状态的跟踪量，并考虑外界环境带来的干扰，搭建考虑干扰的离散跟踪动力学模型；根据运动模型中存在的外界环境干扰，设计干扰观测器，对干扰进行估计；设计状态反馈控制器；结合状态反馈控制器和干扰观测器，设计复合抗干扰跟踪控制器，构建闭环增广跟踪误差系统，通过ILMI算法解算控制器参数，使得闭环增广跟踪误差系统在复合抗干扰跟踪控制器作用下为渐近稳定的正系统，通过正系统跟踪控制策略，确保飞行器接近禁飞区的过程中始终保持在禁飞区外侧，解决禁飞区的安全接近问题。本发明用于飞行器对圆形、多边形等各类禁飞区目标的安全接近过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，利用正系统特性，将飞行器目标接近问题转化为正系统的跟踪控制问题，并充分考虑外界干扰对于安全接近过程的影响并对干扰进行补偿，可用于飞行器对目标对象的安全接近。
背景技术
随着飞行器相关技术的快速发展，人们对于飞行器可完成的任务需求日益提高，除了飞行器的自由飞行外，往往需要飞行器完成绕飞、悬停、跟踪等动作来进行针对目标对象的多种任务操作，如空中加油、空间在轨服务等。在这种针对目标对象进行的任务中，通常将目标外包络设为禁飞区域，要求飞行器在接近目标以及操作过程中均不能飞入禁飞区域，以避免飞行器与目标对象发生摩擦或碰撞，造成飞行器故障或损坏。同时，要求飞行器尽可能靠近目标对象，也就是尽可能的从外侧接近禁飞区域边缘，以保证后续操作动作的可行性和成功率。因此，保证飞行器安全接近至目标对象附近对于飞行器各类任务操作至关重要。同时，对于安全性的高要求也决定了对于控制的高精确性要求，确保飞行器不会飞入禁飞区域，并能逼近禁飞区边缘。因而在模型以及控制律设计中需要考虑实际飞行中可能受到的来自外部环境的干扰影响，如风干扰等，对干扰进行表征并对输入通道的干扰影响进行补偿和抵消。因此，要保证飞行器安全接近目标对象，亟需设计考虑干扰影响的基于禁飞区的安全接近方法，为后续针对目标的近距离操作提供基础。
目前，针对飞行器对目标的接近问题，很多学者提出了关于轨迹规划与控制的技术方法。专利申请号为201610262405.1中提出了针对存在禁飞区多边形区域的旋翼无人机覆盖搜索航迹规划方法，利用覆盖搜索方式进行航迹规划，但存在问题如下：(1)未数学表征禁飞区域，区域搜索方法增加计算量并影响计算效率；(2)未考虑外部干扰对于无人机飞行航迹的影响；专利申请号为201610685944.6中提出了一种对辐射型禁飞区的再入轨迹优化设计方法，但其所用方法为考虑约束条件的轨迹优化设计方法，存在两个问题：(1)优化方法得到的解过于单一，只针对一个优化目标得到；(2)停留在方法层面进行轨迹规划，增加了方法求解的复杂性，限制了工程实现可能性；专利申请号为201510964719.1提出了针对失效卫星的超近距离最优防撞接近方法，但依然停留在依靠最优化方法进行安全接近路径设计，未在模型上进行改良；专利申请号为201611187013.X中提出了航天器终端接近的有限时间饱和避碰控制方法，但只考虑了球形避碰区情况下的控制方法，不具有普遍性。综上所述，现有技术均是从方法层面上进行改良，将禁飞区约束作为优化算法的约束条件，强依赖于控制算法的精确性，未能从模型上根本地解决禁飞区的安全避碰问题。为解决此问题，亟需设计一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的只从方法层面解决飞行器安全接近任务导致强依赖于控制算法精度问题的不足，从模型层面进行禁飞区约束表征，提出一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，解决飞行器对目标禁飞区的绕飞与接近。
本发明的技术解决方案为：一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，其特点在于：针对飞行器的安全接近问题，将存在目标禁飞区域的安全接近问题转化为正系统的跟踪控制问题，使得飞行器目标接近这一工程问题转化为关于正系统的科学问题进行求解，并考虑外部干扰，设计干扰观测器对干扰进行补偿，降低其对系统性能的影响。与传统接近方法相比，从模型入手，从根本上解决了不飞入禁飞区的问题，提高了接近过程的精确性和安全性，并考虑外部环境干扰影响，增强了实际工程应用价值。
具体包括以下步骤：首先，针对飞行器安全接近目标禁飞区的问题，将禁飞区边界参数作为飞行器运动状态的跟踪量，并考虑外界环境带来的干扰，搭建考虑干扰的离散跟踪动力学模型；其次，根据运动模型中存在的外界环境干扰，设计干扰观测器，对干扰进行估计；再次，根据搭建的离散跟踪动力学模型，设计状态反馈控制器；最后，结合状态反馈控制器和干扰观测器，设计复合抗干扰跟踪控制器，构建闭环增广跟踪误差系统，通过ILMI算法解算控制器参数，使得闭环增广跟踪误差系统在复合抗干扰跟踪控制器作用下为渐近稳定的正系统，通过正系统跟踪控制策略，确保飞行器接近禁飞区的过程中始终保持在禁飞区外侧，解决禁飞区的安全接近问题。此方法可用于飞行器对圆形、多边形等各类禁飞区目标的安全接近过程；具体步骤如下：
第一步，针对禁飞区的安全接近问题，将禁飞区边界参数作为飞行器运动状态的跟踪量，并考虑外界环境带来的干扰，搭建考虑干扰的离散跟踪动力学模型如下：
其中，A,B,C为系统特征矩阵，A为系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，A,B,C均为常值矩阵，设C≥≥0，其中，若任一矩阵H是一个m行n列的矩阵，有形式Hij＞0,i＝1,...,m j＝1,...,n，则表示为H≥≥0，Hij为矩阵H第i行、第j列的元素；x(k)为k时刻状态变量，u(k)为k时刻控制输入，ΔT为采样时间，d(k)为k时刻的外部环境干扰，可由一个动态系统描述，形式如下：
其中，w(k)是k时刻状态变量，w(k+1)是k+1时刻状态变量，W,V是已知参数矩阵，均为常值矩阵，假设V≥≥0，其中，若任一矩阵H是一个m行n列的矩阵，有形式Hij＞0,i＝1,...,m j＝1,...,n，则表示为H≥≥0，Hij为矩阵H第i行、第j列的元素。
第二步，针对飞行过程中外界环境带来的干扰，设计干扰观测器，对干扰进行估计，干扰观测器形式如下：
其中，z(k)是k时刻干扰观测器状态变量，L为待求解的观测器增益矩阵，为对w(k)的估计量，w(k)是描述外部环境干扰的动态系统的状态变量，为对d(k)的估计量，W,V是已知参数矩阵，均为常值矩阵，A,B为常值矩阵，u(k)为k时刻控制输入。
第三步，根据搭建的离散跟踪动力学模型，设计状态反馈控制器
u*(k)＝Kx(k)
其中，K是待求解的控制器增益矩阵，x(k)为k时刻状态变量，u*(k)为k时刻状态反馈控制输入。
第四步，结合状态反馈控制器和干扰观测器，设计抗干扰跟踪复合控制器如下：
其中，x(k)为k时刻状态变量，u*(k)为k时刻状态反馈控制输入，为对d(k)的估计量，d(k)为k时刻的外部环境干扰，u(k)为k时刻控制输入。通过ILMI算法解算控制器参数，使得如下闭环增广跟踪误差系统在抗干扰跟踪复合控制器作用下为渐近稳定的正系统。
其中，为w(k)的干扰估计误差，即有
利用一种基于正系统特性的正系统跟踪控制策略：正系统是一类特殊系统，若系统的特征矩阵满足每个矩阵元素均大于或等于0，则系统的状态变量及输出变量恒为正；正系统跟踪控制策略利用正系统的状态变量恒为正值的这一特性，将禁飞区的边界作为状态跟踪量，将飞行器的位置与速度的跟踪误差作为状态变量，设计控制器使得以飞行器的位置与速度的跟踪误差为状态变量的闭环系统为正系统，保证状态变量恒为正值，即飞行器的位置与速度的跟踪误差恒为正，保证接近过程中，飞行器的位置始终保持在禁飞区边界外侧，解决飞行器跟踪接近禁飞区的过程中不进入禁飞区的安全接近问题。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明涉及的接近方法将禁飞区域限制从位置和速度约束量转化为状态跟踪量，通过模型来表征目标禁飞区属性，并考虑外界环境干扰，设计干扰观测器对干扰进行估计和补偿，保证目标接近运动的安全性的同时，提高控制精度和目标接近运动的精确性，增强了工程实际意义。本发明可用于飞行器对圆形、多边形等各类禁飞区目标的安全接近过程。
附图说明
图1为本发明一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
1、针对飞行器安全接近目标禁飞区的问题，利用正系统状态始终为正的特性，将禁飞区边界参数作为系统状态跟踪量，并考虑外界环境带来的干扰，搭建考虑干扰的离散跟踪动力学模型。
将禁飞区边界作为飞行器位置状态的跟踪量，设飞行器最终悬停至目标位置，则得到飞行器离散跟踪动力学模型。设禁飞区边界，即参考跟踪量为
其中，hf为位置跟踪量，vf为速度跟踪量，hr为常值。取hr＝30。
考虑离散跟踪系统
其中，h(k)为k时刻的位置变量，v(k)为k时刻的速度变量，ΔT为采样时间，取ΔT＝0.01。u(k)为k时刻系统输入变量，hf(k)和vf(k)为k时刻的参考跟踪量，d(k)是k时刻的外部环境干扰，假设其可由一个动态系统描述，形式如下：
其中，w(k)是k时刻状态变量，w(k+1)是k+1时刻状态变量，W,V是已知参数矩阵，均为常值矩阵，假设V≥≥0，其中，若任一矩阵H是一个m行n列的矩阵，有形式Hij＞0,i＝1,...,m j＝1,...,n，则表示为H≥≥0，Hij为矩阵H第i行、第j列的元素。取V＝[1 0.5]，
采用变量替换方法，定义位置跟踪误差φ(k)和速度跟踪误差为φ(k)＝h(k)-hr(k)＝h(k)-hr，得到系统如下
设系统变量为得到跟踪系统标准模型
其中，A,B,C为系统特征矩阵，A为系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，x(k)为k时刻状态变量，u(k)为k时刻控制输入，ΔT为采样时间，。设C≥≥0，若任一矩阵H是一个m行n列的矩阵，有形式Hij＞0,i＝1,...,m j＝1,...,n，则表示为H≥≥0，Hij为矩阵H第i行、第j列的元素。取C＝[1 0]。
2、针对飞行过程中外界环境带来的干扰，设计干扰观测器，对干扰进行估计。
根据第一步中式(1)，建立的干扰模型，设计干扰观测器
其中，z(k)是k时刻干扰观测器状态变量，L为待求解的观测器增益矩阵，为对w(k)的估计量，w(k)是描述外部环境干扰的动态系统的状态变量，为对d(k)的估计量，W,V是已知参数矩阵，均为常值矩阵，A,B为常值矩阵，u(k)为k时刻控制输入。
3、根据搭建的离散跟踪动力学模型，设计状态反馈控制器。
设计系统状态反馈控制律如下：
u*(k)＝Kx(k)
其中，K是待求解的控制器增益矩阵，x(k)为k时刻状态变量，u*(k)为k时刻状态反馈控制输入。
4、结合状态反馈控制器和干扰观测器，设计复合抗干扰跟踪控制器，通过ILMI算法解算控制器参数，使得闭环增广跟踪误差系统在复合抗干扰跟踪控制器作用下为渐近稳定的正系统，通过正系统跟踪控制策略，确保飞行器接近禁飞区的过程中始终保持在禁飞区外侧，解决禁飞区的安全接近问题。
结合状态反馈控制器和干扰观测器，设计抗干扰跟踪复合控制器
其中，u*(k)为k时刻状态反馈控制输入。得到闭环跟踪系统
其中，为k时刻d(k)的干扰估计误差，为k时刻w(k)的干扰估计误差。
将ew(k)作为系统增广变量，则可得到闭环增广跟踪误差系统
通过ILMI算法解算得到控制器参数和干扰观测器参数，使得闭环增广跟踪误差系统在抗干扰跟踪复合控制器作用下为渐近稳定的正系统。即对于都有x(k)＞0、ew(k)＞0、ed(k)＞0，并且k→∞时，x(k)和ed(k)均收敛至0，即有
飞行器最终从外侧稳定接近目标禁飞区域并悬停至禁飞区边缘目标点。通过ILMI算法解算得到控制器参数K＝[0 -10.7]和干扰观测器参数
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，针对禁飞区的安全接近问题，将禁飞区边界参数作为飞行器运动状态的跟踪量，并考虑外界环境带来的干扰，搭建考虑干扰的离散跟踪动力学模型；
第二步，根据运动模型中存在的外界环境干扰，设计干扰观测器，对干扰进行估计；
第三步，根据搭建的离散跟踪动力学模型，设计状态反馈控制器；
第四步，结合状态反馈控制器和干扰观测器，设计复合抗干扰跟踪控制器，构建闭环增广跟踪误差系统，通过ILMI算法解算控制器参数，使得闭环增广跟踪误差系统在复合抗干扰跟踪控制器作用下为渐近稳定的正系统，通过正系统跟踪控制策略，确保飞行器接近禁飞区的过程中始终保持在禁飞区外侧，解决禁飞区的安全接近问题；
所述第一步中，针对飞行器安全接近目标禁飞区的问题，将禁飞区边界参数作为飞行器运动状态跟踪量，并考虑外界环境带来的干扰，搭建考虑干扰的离散跟踪动力学模型如下：
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其中，A,B,C为系统特征矩阵，A为系统矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，A,B,C均为常值矩阵，设C≥≥0，若任一矩阵H是一个m行n列的矩阵，有形式Hij>0,i＝1,...,m j＝1,...,n，则表示为H≥≥0，Hij为矩阵H第i行、第j列的元素；x(k)为k时刻状态变量，u(k)为k时刻控制输入，△T为采样时间，d(k)为k时刻的外部环境干扰，可由一个外部动态系统描述，形式如下：
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其中，w(k)是k时刻状态变量，w(k+1)是k+1时刻状态变量，W,V是已知参数矩阵，均为常值矩阵，假设V≥≥0，其中，若任一矩阵H是一个m行n列的矩阵，有形式Hij>0,i＝1,...,m j＝1,...,n，则表示为H≥≥0，Hij为矩阵H第i行、第j列的元素。
2.根据权利要求1所述的一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，其特征在于：所述第二步中，干扰观测器形式如下：
<mfenced open = "{" close = "">
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其中，z(k)是k时刻干扰观测器状态变量，L为待求解的观测器增益矩阵，为对w(k)的估计量，w(k)是描述外部环境干扰的动态系统的状态变量，为对d(k)的估计量，W,V是已知参数矩阵，均为常值矩阵，A,B为常值矩阵，u(k)为k时刻控制输入。
3.根据权利要求1所述的一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，其特征在于：所述第三步中，根据搭建的离散跟踪动力学模型，设计状态反馈控制器
u*(k)＝Kx(k)
其中，K是待求解的控制器增益矩阵，x(k)为k时刻状态变量，u*(k)为k时刻状态反馈控制输入。
4.根据权利要求1所述的一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，其特征在于：所述第四步中，结合状态反馈控制器和干扰观测器，设计抗干扰跟踪复合控制器如下：
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其中，x(k)为k时刻状态变量，u*(k)为k时刻状态反馈控制输入，为对d(k)的估计量，d(k)为k时刻的外部环境干扰，u(k)为k时刻控制输入，K是待求解的控制器增益矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于正系统特性的飞行器抗干扰安全接近禁飞区方法，其特征在于：所述第四步中，正系统跟踪控制策略是一种基于正系统特性的安全跟踪策略，正系统是一类特殊系统，若系统的特征矩阵满足每个矩阵元素均大于或等于0，则系统的状态变量及输出变量恒为正；正系统跟踪控制策略利用正系统的状态变量恒为正值的这一特性，将禁飞区的边界作为状态跟踪量，将飞行器的位置与速度的跟踪误差作为状态变量，设计控制器使得以飞行器的位置与速度的跟踪误差为状态变量的闭环系统为正系统，保证状态变量恒为正值，即飞行器的位置与速度的跟踪误差恒为正，保证接近过程中，飞行器的位置始终保持在禁飞区边界外侧，解决飞行器跟踪接近禁飞区的过程中不进入禁飞区的安全接近问题。
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