CN111459175B - 一种基于l1自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法 - Google Patents
一种基于l1自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111459175B CN111459175B CN201911308610.7A CN201911308610A CN111459175B CN 111459175 B CN111459175 B CN 111459175B CN 201911308610 A CN201911308610 A CN 201911308610A CN 111459175 B CN111459175 B CN 111459175B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- adaptive controller
- aerial vehicle
- unmanned aerial
- type unmanned
- controller
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
- G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
- G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
- G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
- G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft
Abstract
Description
技术领域
背景技术
与有人驾驶飞机相比,无人机具有体积小、成本低等优点,最重要的是它对作战环境要求低,战场生存能力强,可以减少人员伤亡。初期,无人机可分为旋翼无人机和固定翼无人机。尾座式无人机作为一种新型的无人机,起源于二战期间的德国,战争破坏了机场跑道,飞机起飞场地受到很大限制,尾座式无人机可垂直起飞和降落的特点满足了发射场地的减少的限制条件。尾座式无人机是旋翼无人机和固定翼无人机的结合,同时也具备旋翼机和固定翼飞机的优点,它不仅可以像旋翼机那样实现垂直起降,还可以像固定翼飞机那样负担大重载。由于其独特的特点,它在生产和生活中越来越受欢迎,在各个领域都有广泛应用。
尾座式无人机的轨迹跟踪的难点在于尾座式无人机飞行的过渡段,经过这个阶段尾座式无人机可以实现平飞状态和垂直状态的转换。在这一过程中,尾座式无人机的攻角急剧变化,使空气动力的变化十分剧烈,这就使此过程中的不确定性大大增加。不仅如此,在轨迹跟踪的过程中,还要对尾座式无人机执行机构损伤的故障情况进行容错控制。容错控制是一种重要的控制方法,决定着飞行器的可靠性和安全性。
发明内容
步骤一:给定期望的俯仰轨迹trajx和trajz。
步骤二:建立尾座式无人机的非线性动力学和运动学模型。
其中,在步骤二中所描述的尾座式非线性无人机动力学和运动学模型的建立方法如下:
以如图1所示的六自由度尾座式无人机为例,认为此六自由度尾座式无人机为刚体其受力特性如图2所示,动力学和运动学模型可以描述如下:
其中vbx,vby,vbz是飞行器本体坐标系下的速度,ωbx,ωby,ωbz是飞行器本体坐标系下的角速度,θ,ψ分别表示滚转、俯仰、偏航三个姿态角,ci(i=1~9)是与转动惯量有关的定常数,m为飞行器的质量,g是重力常数, F=[Fx Fy Fz]T=Fa+Fm与τ=[τx τy τz]T=τa+τm表示飞行器所受到的力和力矩,其中Fa,Fm,τa,τm分别表示气动力,电机产生力以及气动力矩,电机产生那个力矩。
气动力和气动力矩的计算可以写成如下方程形式:
其中ρa表示参考大气密度,c表示机翼弦长,S表示飞机气动面积,υb=[υbx,υby,υbz]T是机体坐标系中的实时速度,Ci(i=X,Y,Z,L,M,N)表示空气动力系数,且Ci受到攻角侧滑角和四个叶片偏转的影响,具体表示如下:
电机产生沿机体轴推力和力矩可以表示如下:
其中b和d是常系数,T是电机推力,τm=[τmx τmy τmz]T,li(i=1,2,3,4)表示各电机到飞行器质心的距离,wi(i=1,2,3,4)表示第i个电机转子的转速。
考虑到不确定性和外部干扰,便于容错控制器设计,可以将电机产生的推力和力矩写成如下形式:
其中,u01=d((δ1-n1)w1 2+(δ2-n1)w2 2+(δ3-n1)w3 2+(δ4-n1)w4 2),
u02=b((δ1-n2)w1 2-(δ2-n2)w2 2-(δ3-n2)w3 2+(δ4-n2)w4 2),
u03=b((δ1-n3)l1w1 2+(δ2-n3)l1w2 2-(δ3-n3)l2w3 2-(δ4-n3)l2w4 2),
u04=b((δ1-n4)l3w1 2-(δ2-n4)l4w2 2+(δ3-n4)l3w3 2-(δ4-n4)l4w4 2).
ni(i=1,2,3,4)为损失系数。
图3是自适应控制器内部结构框图,图4是控制系统框图,根据图中流程设计控制器,总自适应控制器包含两个子控制器:位置自适应控制器和角度自适应控制器。位置和角度控制器所对应的控制输入分别为在本体系下的三轴力和力矩:
u1=F,u2=τ
位置误差模型为:
状态方程写成矩阵形式:
其中
状态观测器:
其中
角度误差模型为:
其中u′i2是ui2对角化后的方阵,ζ′1=AJ-1(I3-N)转变成列向量可以得到ζ1,由转动惯量阵J的对角线元素组成,ζ2=AJ1 -1×J1,d2=AJ-1(τa+U),Ω=diag{ωbyωbz,ωbxωbz,ωbxωby},状态量满足:
状态方程写成矩阵形式:
其中
状态观测器:
其中
控制律可写为:
1)本方法设计的控制器是所调参数可应用于整个轨迹跟踪过程,不必取工作点进行模式切换,在实际工程上易于实现。
2)本方法设计的控制器可以有效地改善尾座式无人机在执行机构故障的情况下轨迹跟踪的效果。
3)本方法设计的控制器可以有效降低模型非线性,耦合,环境干扰和参数不确定带来的影响,快速且鲁棒性强。
附图说明
图1为六自由度尾座式无人机结构图;
图2为尾座式无人机的受力图;
符号说明如下:
ρa-参考大气密度,单位kg/m3;
m-飞行器的质量,单位kg;
c-参考气动弦长,单位m
S-参考气动面积,单位m2
vb-参考平飞速度,单位m/s
wi-各电机的转速,单位r/min;
Δi-各舵面的偏转,单位deg;
g-重力加速度常数。
图4为控制系统结构图
图5为参考标准轨迹图。
图6为无故障状态下H∞控制器轨迹图。
图7为无故障状态下H∞控制器角度图。
图8为无故障状态下H∞控制器轨迹误差图。
具体实施方式
下面结合实施例,并配合附图对本发明中的各部分设计方法作进一步的说明
步骤一:给定期望的俯仰轨迹trajx和trajz如图5所示。
其中系数如表1所示:
表1尾座式无人机俯仰轨迹系数表
步骤二:建立尾座式无人机的非线性动力学和运动学模型。
以如图1所示的六自由度尾座式无人机为例,主要通过四个电机产生的推力和力矩以及四片舵面产生的气动力和力矩改变尾座式无人机的运动状态。假设此尾座式无人机为刚体,其受力特性如图2所示,动力学和运动学模型可以描述如下:
其中vbx,vby,vbz是飞行器本体坐标系下的速度,ωbx,ωby,ωbz是飞行器本体坐标系下的角速度,θ,ψ分别表示滚转、俯仰、偏航三个姿态角, ci(i=1~9)是与转动惯量有关的定常数,m为飞行器的质量,g是重力常数, F=[Fx Fy Fz]T=Fa+Fm与τ=[τx τy τz]T=τa+τm表示飞行器所受到的力和力矩,其中Fa,Fm,τa,τm分别表示气动力,电机产生力以及气动力矩,电机产生那个力矩。
气动力和气动力矩的计算可以写成如下方程形式:
其中ρa表示参考大气密度,c表示机翼弦长,S表示飞机气动面积,υb=[υbx,υby,υbz]T是机体坐标系中的实时速度,Ci(i=X,Y,Z,L,M,N)表示空气动力系数插值获得,且Ci受到攻角侧滑角和四个叶片偏转的影响,具体表示如下:
其中的气动参数如表2所示。
表2尾座式无人机气动参数
电机产生沿机体轴推力和力矩可以表示如下:
其中b和d是常系数,T是电机推力,τm=[τmx τmy τmz]T,li(i=1,2,3,4)表示各电机到飞行器质心的距离,wi(i=1,2,3,4)表示第i个电机转子的转速。
考虑到不确定性和外部干扰,便于容错控制器设计,可以将电机产生的推力和力矩写成如下形式:
其中,u01=d((δ1-n1)w1 2+(δ2-n1)w2 2+(δ3-n1)w3 2+(δ4-n1)w4 2),
u02=b((δ1-n2)w1 2-(δ2-n2)w2 2-(δ3-n2)w3 2+(δ4-n2)w4 2),
u03=b((δ1-n3)l1w1 2+(δ2-n3)l1w2 2-(δ3-n3)l2w3 2-(δ4-n3)l2w4 2),
u04=b((δ1-n4)l3w1 2-(δ2-n4)l4w2 2+(δ3-n4)l3w3 2-(δ4-n4)l4w4 2).
ni(i=1,2,3,4)为损失系数。
u1=F,u2=τ
位置误差模型为:
状态方程写成矩阵形式:
其中
状态观测器:
其中
角度误差模型为:
其中u′i2是ui2对角化后的方阵,ζ′1=AJ-1(I3-N)转变成列向量可以得到ζ1,由转动惯量阵J的对角线元素组成,ζ2=AJ1 -1×J1,d2=AJ-1(τa+U),Ω=diag{ωbyωbz,ωbxωbz,ωbxωby},状态量满足:
状态方程写成矩阵形式:
其中
状态观测器:
其中
控制律可写为:
根据步骤二得到的飞行器模型,和步骤三得到的控制器,在simulink仿真平台上进行仿真验证,并将所设计的控制器与标准H∞控制器作对比,来验证所设计控制器的性能。
尾座式无人机的物理参数如表3所示。
表3尾座式无人机物理参数表
选取控制器设计中的参数如下:δ1=0.85,δ2=0.85,δ3=0.9,δ4=0.9, n1=0.9,n2=0.85,n3=0.9,n4=0.9,κ1=0.7,κ2=0.9,κ3=0.8,μ1=0.3,μ2=0.4,Kp1=diag{6,0.6,6}, Kp2=diag{0.05,0.05,0.05},Ka1=diag{8500,44,5600}, Ka2=diag{9.5,120,9.5},Q1=Q2=10-3I6,K1=100,K2=10000, d1=[0.01,0.01cos(0.1t),0.1cos(0.1t)]Tm/s2, d2=[0.01cos(0.1t),0.01cos(0.1t),0.01e-20t]TNm。仿真步长为0.01s。
实施例1:在无执行机构损伤故障下,H∞控制器跟踪效果。
图6和图7为无执行机构损伤故障下,H∞控制器控制下的轨迹和角度图,图8为实际轨迹与标准轨迹误差图。可以看出,在没有故障的状态下,使用H∞控制器是可以完成轨迹跟踪的。
Claims (3)
步骤一:给定期望的俯仰轨迹trajx和trajz;
步骤二:建立尾座式无人机的非线性动力学和运动学模型;
尾座式无人机的非线性模型为:
其中vbx,vby,vbz是飞行器本体坐标系下的速度,ωbx,ωby,ωbz是飞行器本体坐标系下的角速度,θ,ψ分别表示滚转、俯仰、偏航三个姿态角,ci(i=1~9)是与转动惯量有关的定常数,m为飞行器的质量,g是重力常数,F=[Fx Fy Fz]T=Fa+Fm与τ=[τx τy τz]T=τa+τm表示飞行器所受到的力和力矩,其中Fa,Fm,τa,τm分别表示气动力,电机产生力以及气动力矩,电机产生力矩,气动力和气动力矩的计算可以写成如下方程形式:
其中ρa表示参考大气密度,c表示机翼弦长,S表示飞机气动面积,υb=[υbx,υby,υbz]T是机体坐标系中的实时速度,Ci(i=X,Y,Z,L,M,N)表示空气动力系数插值获得,且Ci受到攻角侧滑角和四个叶片偏转的影响,具体表示如下:
电机产生沿机体轴推力和力矩可以表示如下:
其中b和d是常系数,T是电机推力,τm=[τmx τmy τmz]T,li(i=1,2,3,4)表示各电机到飞行器质心的距离,wi(i=1,2,3,4)表示第i个电机转子的转速,考虑到不确定性和外部干扰,便于容错控制器设计,可以将电机产生的推力和力矩写成如下形式:
其中,u01=d((δ1-n1)w1 2+(δ2-n1)w2 2+(δ3-n1)w3 2+(δ4-n1)w4 2),
u02=b((δ1-n2)w1 2-(δ2-n2)w2 2-(δ3-n2)w3 2+(δ4-n2)w4 2),
u03=b((δ1-n3)l1w1 2+(δ2-n3)l1w2 2-(δ3-n3)l2w3 2-(δ4-n3)l2w4 2),
u04=b((δ1-n4)l3w1 2-(δ2-n4)l4w2 2+(δ3-n4)l3w3 2-(δ4-n4)l4w4 2),
ni(i=1,2,3,4)为损失系数;
u1=F,u2=τ。
角度误差模型为:
其中ui′2是ui2对角化后的方阵,ζ1′=AJ-1(I3-N)转变成列向量可以得到ζ1,由转动惯量阵J的对角线元素组成,ζ2=AJ1 -1×J1,d2=AJ-1(τa+U),Ω=diag{ωbyωbz,ωbxωbz,ωbxωby},状态量如下:
状态观测器:
其中
控制律可写为:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911308610.7A CN111459175B (zh) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | 一种基于l1自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911308610.7A CN111459175B (zh) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | 一种基于l1自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111459175A CN111459175A (zh) | 2020-07-28 |
CN111459175B true CN111459175B (zh) | 2021-07-27 |
Family
ID=71684922
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201911308610.7A Active CN111459175B (zh) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | 一种基于l1自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111459175B (zh) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112068421B (zh) * | 2020-07-30 | 2021-11-09 | 北京航空航天大学 | 一种基于l1自适应控制的弹性高超声速飞行器容错控制方法 |
CN111880410B (zh) * | 2020-08-11 | 2021-12-28 | 北京航空航天大学 | 一种针对电机故障的四旋翼无人机容错控制方法 |
CN113618743B (zh) * | 2021-08-27 | 2022-08-23 | 北京航空航天大学杭州创新研究院 | 一种针对多源干扰的无人机机械臂末端位姿控制方法 |
CN114018531B (zh) * | 2021-11-09 | 2023-03-21 | 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 | 一种高超声速风洞连续变总压的试验数据处理方法 |
CN115129089B (zh) * | 2022-08-29 | 2022-12-02 | 国网湖北省电力有限公司技术培训中心 | 无人机拖挂横幅飞行轨迹容错控制方法及设备 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105629734A (zh) * | 2016-02-14 | 2016-06-01 | 济南大学 | 一种近空间飞行器的轨迹跟踪控制方法 |
CN108445895A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-24 | 天津大学 | 用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法 |
CN109597426A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-04-09 | 上海无线电设备研究所 | 基于l1自适应控制的四旋翼直升机轨迹跟踪控制方法 |
CN109634110A (zh) * | 2017-10-09 | 2019-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种基于非线性干扰观测器的尾座式无人机过渡段鲁棒控制方法 |
-
2019
- 2019-12-18 CN CN201911308610.7A patent/CN111459175B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105629734A (zh) * | 2016-02-14 | 2016-06-01 | 济南大学 | 一种近空间飞行器的轨迹跟踪控制方法 |
CN109634110A (zh) * | 2017-10-09 | 2019-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种基于非线性干扰观测器的尾座式无人机过渡段鲁棒控制方法 |
CN108445895A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-24 | 天津大学 | 用于倾转式三旋翼无人机位置控制的鲁棒控制方法 |
CN109597426A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-04-09 | 上海无线电设备研究所 | 基于l1自适应控制的四旋翼直升机轨迹跟踪控制方法 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
Nonlinear robust control of hypersonic aircrafts with interactions between flight dynamics and propulsion systems;ZHAOYING LI,etc.;《ISA Transactions》;20160427;第1-11页 * |
Nonlinear robust control of tail-sitter aircrafts in flight mode transitions;ZHAOYING LI,etc.;《Aerospace Science and Technology》;20180822;第348-361页 * |
Robust Controller Design for a Tail-sitter UAV in Flight Mode Transitions;ZHAOYING LI,etc.;《2018 IEEE 14th International Conference on Control and Automation (ICCA)》;20180823;第763-768页 * |
无人机快速鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法研究;张永昌;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》;20180415;第C031-121页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN111459175A (zh) | 2020-07-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111459175B (zh) | 一种基于l1自适应控制器的尾座式无人机轨迹跟踪容错控制方法 | |
Madani et al. | Backstepping control for a quadrotor helicopter | |
Flores et al. | Quad-tilting rotor convertible mav: Modeling and real-time hover flight control | |
CN109856972B (zh) | 一种无人直升机鲁棒容错跟踪控制方法 | |
Madani et al. | Backstepping control with exact 2-sliding mode estimation for a quadrotor unmanned aerial vehicle | |
CN108873929B (zh) | 一种固定翼飞机自主着舰方法及系统 | |
CN107491083B (zh) | 一种基于饱和自适应滑模控制的四旋翼自主着船方法 | |
CN104460681A (zh) | 倾转旋翼无人直升机过渡段的飞行控制方法 | |
CN108803639A (zh) | 一种基于反步法的四旋翼飞行器飞行控制方法 | |
CN111045440B (zh) | 一种高超声速飞行器俯冲段快速滚转控制方法 | |
Xu et al. | Full attitude control of an efficient quadrotor tail-sitter VTOL UAV with flexible modes | |
CN107608368B (zh) | 一种无人机在极端初始状态的快速平衡控制方法 | |
CN113703320A (zh) | 一种抗干扰和饱和特性的飞行机械臂位姿控制方法 | |
CN115933733A (zh) | 一种固定翼无人机纵向高度速度解耦非线性控制方法 | |
CN109634110B (zh) | 一种基于非线性干扰观测器的尾座式无人机过渡段鲁棒控制方法 | |
CN107678442B (zh) | 一种基于双模型下的四旋翼自主着船控制方法 | |
CN114237270B (zh) | 一种考虑输入饱和的无人直升机跟踪控制方法 | |
CN112327629B (zh) | 基于动态补偿的小型无人直升机自适应容错控制方法 | |
Ramírez et al. | Nonlinear vector-projection control for agile fixed-wing unmanned aerial vehicles | |
Cardoso et al. | A nonlinear W∞ controller of a tilt-rotor UAV for trajectory tracking | |
CN116185057B (zh) | 一种面向翼身融合飞翼无人机的姿态容错控制方法 | |
Chen et al. | Adaptive attitude control for a coaxial tilt-rotor UAV via immersion and invariance methodology | |
Zou et al. | Adaptive tracking control for a model helicopter with disturbances | |
CN111897219A (zh) | 基于在线逼近器的倾转四旋翼无人机过渡飞行模式最优鲁棒控制方法 | |
Gai et al. | Modeling and LPV flight control of the canard rotor/wing unmanned aerial vehicle |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |