CN115167494A - 一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术，其通过侧滑与倾斜两种转弯方式进行复合实现无人机侧向质心转弯控制。该方法能通过偏航通道控制量来调节倾斜姿态期望角信号的大小，反过来通过倾斜通道控制量来调节偏航通道姿态角期望信号，从而避免了两个通道的同时剧烈转弯，也实现了转弯能量的动态合理分配。同时又通过侧向位置误差、速度误差以及加速度误差来分别对偏航与倾斜通道的不确定性进行加速度、偏航角速率、倾斜角速率之间的双通道耦合动态估计，从而实现了双通道的不确定性动态耦合补偿，使得该方法具有很好的快速性与抗干扰能力。

Description

一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术

技术领域

本发明涉及无人机稳定与控制领域，具体而言，涉及一种无人机采用侧滑与倾斜复合转弯控制的方法。

背景技术

大型无人机的侧向转弯控制中，目前主要方式有侧滑转弯、倾斜转弯两种方式，其中侧滑转弯平稳性较好，倾斜转弯快速性较好。而采用侧滑与倾斜复合转弯的技术则在无人机侧向控制中比较少见，原因是由于偏航通道与倾斜通道的精确建模比较困难，同时两个通道又存在严重的耦合关系，以及一些非线性的铰链关系，使得传统的线性状态反馈的设计方法在两通道复合控制时难以获得令人满意的可靠性与稳定裕度。基于上述背景原因，本发明提供了一种基于干扰估计与双通道动态耦合调节技术的无人机侧滑与倾斜复合转弯控制技术，实验表明该方法具有良好的稳定性与可靠性，从而具有较高的工程实用价值。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术，进而克服了由于相关技术的限制和缺陷而导致的双通道耦合难以消除以及转弯快速性不好的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术动，包括以下步骤：

步骤S10，安装加速度计测量无人机侧向加速度；通过积分得到侧向速度，再次积分得到侧向位移信号；再根据飞行任务设定侧向位移期望信号，并与侧向位移信号进行对比得到侧向位移误差信号，采用侧向速度信号与侧向位移期望信号的一阶导数进行比较得到侧向速度误差信号，采用侧向加速度信号与侧向位移期望信号的二阶导数进行对比得到侧向加速度误差信号；然后对侧向位移误差信号进行积分，得到侧向位移误差积分信号，组合生成偏航角指令信号；然后通过偏航角指令信号分别生成偏航速度误差干扰估计律、偏航加速度误差干扰估计律以及偏航位置误差干扰估计律；通过积分后分别得到偏航速度误差干扰估计参数、偏航加速度误差干扰估计参数与偏航位置误差干扰估计参数；最后对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到侧向组合误差信号。

步骤S20，安装加速度计测量无人机垂向加速度并根据所述的俯仰角误差信号与俯仰角误差滞后信号生成外回路角速度相关干扰估计律与外回来加速度相关干扰估计律，并通过积分得到外回路角速度相关干扰估计信号与外回路加速度相关干扰估计信号，两者组合形成外回来干扰估计总信号，并叠加所述的俯仰角误差信号、俯仰角误差动态滤波微分信号以及动态滤波参数形成无人机俯仰角速率期望信号。

步骤S30，根据所述的无人机俯仰角速率期望信号与俯仰角速率信号进行对比，得到俯仰角速率误差信号；然后设定垂直加速度阈值参数，按照垂直加速度信号与垂直加速度阈值参数的比较结果，将俯仰角速率误差变化分为快中慢三种情况，依次将俯仰角速率误差信号与垂直加速度信号进行组合积分，得到动态速率滤波参数，然后设计一阶动态滤波器，分别求解三种情况的俯仰角速率误差滞后信号；最后由俯仰角速率误差信号与俯仰角速率误差滞后信号以及相应的动态速率滤波参数求解俯仰角速率误差动态滤波微分信号。

步骤S40，根据所述的俯仰角速率误差信号、俯仰角速率误差滞后信号、垂直加速度信号与俯仰角速率信号生成内回路角速度相关干扰估计律与内回路加速度相关干扰估计律，通过积分后得到内回路角速度相关干扰估计信号与内回路加速度相关干扰估计信号，并组合生成内回路干扰估计总信号，最后叠加动态速率滤波参数、俯仰角速率误差动态滤波微分信号、俯仰角误差动态滤波微分信号以及俯仰角速率误差信号形成俯仰通道控制综合信号，并通过饱和限幅处理得到俯仰通道饱和限幅控制信号，将其输送给无人机俯仰通道俯仰舵系统，实现负反馈控制无人机俯仰通道姿态角对俯仰角期望信号的跟踪任务。

在本发明的一种示例实施例中，安装加速度计测量无人机侧向加速度；通过积分得到侧向速度，再次积分得到侧向位移信号；再根据飞行任务设定侧向位移期望信号，并与侧向位移信号进行对比得到侧向位移误差信号，采用侧向速度信号与侧向位移期望信号的一阶导数进行比较得到侧向速度误差信号，采用侧向加速度信号与侧向位移期望信号的二阶导数进行对比得到侧向加速度误差信号；然后对侧向位移误差信号进行积分，得到侧向位移误差积分信号，组合生成偏航角指令信号；然后通过偏航角指令信号分别生成偏航速度误差干扰估计律、偏航加速度误差干扰估计律以及偏航位置误差干扰估计律；通过积分后分别得到偏航速度误差干扰估计参数、偏航加速度误差干扰估计参数与偏航位置误差干扰估计参数；最后对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到侧向组合误差信号包括：

v_z＝∫a_zdt；

z＝∫v_zdt；

e₁＝z-z^d；

s₁＝∫e₁dt；

φ^d＝k₁e₁+k₂s₁+k₃d₁+k₄d₂；

d_w1＝k_w1φ^dd₁；d_w2＝k_w2φ^dd₂；d_w3＝k_w3φ^de₁；

w₁＝∫d_w1dt；w₂＝∫d_w2dt；w₃＝∫d_w3dt；

其中a_z为安装加速度计测量得到的无人机的侧向加速度；v_z为侧向速度信号，z为侧向位移信号；z^d为侧向位移期望信号，e₁为侧向位移误差信号，

为侧向位移期望信号的一阶导数，

为侧向位移期望信号的二阶导数，d₁为侧向速度误差信号，d₂为侧向加速度误差信号，s₁为侧向位置误差积分信号；φ^d为偏航角指令信号；k₁、k₂、k₃、k₄为常值控制参数；d_w1为偏航速度误差干扰估计律、d_w2为偏航加速度误差干扰估计律、d_w3为偏航位置误差干扰估计律；k_w1、k_w2与k_w3为常值参数；w₁为偏航速度误差干扰估计参数、w₂为偏航加速度误差干扰估计参数、w₃为偏航位置误差干扰估计参数；

为侧向组合误差信号。

在本发明的一种示例实施例中，安装姿态陀螺仪测量得到无人机偏航角信号，根据倾斜通道控制综合信号求解倾斜控制综合积分信号，并设定偏航权值初值，生成偏航权重信号，然后乘以偏航角指令信号并叠加侧向组合误差信号得到偏航角理想信号，并与无人机偏航角信号进行对比得到偏航角误差信号，最后进行积分得到偏航角误差积分信号包括：

s_g＝∫|u_g|dt；

e₂＝φ-φ^da；

s₂＝∫e₂dt；

其中φ为安装姿态陀螺仪测量得到的无人机偏航角信号，u_g为倾斜通道控制综合信号，其初始值选取为0；s_g为倾斜控制综合积分信号；w₁₀为偏航权值初值，其为常值参数；ε₁₁、ε₁₂为常值参数；w_a1为偏航权重信号；φ^da为偏航角理想信号，e₂为偏航角误差信号；s₂为偏航角误差积分信号。

在本发明的一种示例实施例中，根据侧向位移误差信号、侧向位移误差积分信号、侧向速度误差信号、侧向加速度误差信号组合生成倾斜角指令信号；然后通过倾斜角指令信号分别生成倾斜速度误差干扰估计律、倾斜加速度误差干扰估计律以及倾斜位置误差干扰估计律；通过积分后分别得到倾斜速度误差干扰估计参数、倾斜加速度误差干扰估计参数与倾斜位置误差干扰估计参数；最后对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到倾斜组合误差信号包括：

γ^d＝l₁e₁+l₂s₁+l₃d₁+l₄d₂；

d_m1＝k_m1γ^dd₁；d_m2＝k_m2γ^dd₂；dm_w3＝k_m3γ^de₁

m₁＝∫d_m1dt；m₂＝∫d_m2dt；m₃＝∫d_m3dt；

其中γ^d为倾斜角指令信号；l₁、l₂、l₃、l₄为常值控制参数；d_m1为倾斜速度误差干扰估计律、d_m2为倾斜加速度误差干扰估计律、d_m3为倾斜位置误差干扰估计律；k_m1、k_m2与k_m3为常值参数；m₁为倾斜速度误差干扰估计参数、m₂为倾斜加速度误差干扰估计参数、m₃为倾斜位置误差干扰估计参数；

为倾斜组合误差信号。

在本发明的一种示例实施例中，安装姿态陀螺仪测量得到无人机倾斜角信号，根据偏航通道控制综合信号求解偏航控制综合积分信号，并设定倾斜权值初值，生成倾斜权重信号，然后乘以倾斜角指令信号并叠加倾斜组合误差信号得到倾斜角理想信号，并与无人机倾斜角信号进行对比得到倾斜角误差信号，最后进行积分得到倾斜角误差积分信号包括：

s_f＝∫|u_p|dt；

e₃＝γ-γ^da；

s₃＝∫e₃dt；

其中γ为安装姿态陀螺仪测量得到的无人机倾斜角信号，u_p为偏航通道控制综合信号，其初始值选取为0；s_f为偏航控制综合积分信号；w₂₀为倾斜权值初值，其为常值参数；ε₂₁、ε₂₂为常值参数；w_a2为倾斜权重信号；γ^da为倾斜角理想信号，e₃为倾斜角误差信号；s₃为倾斜角误差积分信号。

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的倾斜角指令信号、偏航角指令信号分别求解偏航通道常值干扰估计律信号、偏航通道偏航角误差干扰估计律信号、偏航通道偏航角速率干扰估计律信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计律信号、偏航通道加速度干扰估计律信号，倾斜通道常值干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计律信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计律信号、倾斜通道加速度干扰估计律信号；通过积分后分别得到偏航通道常值干扰估计信号、偏航通道偏航角误差干扰估计信号、偏航通道偏航角速率干扰估计信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计信号、偏航通道加速度干扰估计信号，倾斜通道常值干扰估计信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计信号、倾斜通道加速度干扰估计信号；然后组成生成偏航通道干扰估计总信号与倾斜通道干扰估计总信号；

d_c11＝k_c11φ^d；d_c21＝k_c21γ^d；

d_c11＝k_c12φ^de₂ d_c21＝k_c22γ^de₃

d_c13＝k_c13φ^dω_y d_c23＝k_c23γ^dω_x

d_c14＝k_c14φ^de₃ d_c24＝k_c24γ^de₂

d_c15＝k_c15φ^da_z d_c25＝k_c25γ^da_z

其中k_c11、k_c12、k_c13、k_c14、k_c15、k_c21、k_c22、k_c23、k_c24、k_c25为常值控制参数；d_c11为偏航通道常值干扰估计律信号、d_c12为偏航通道偏航角误差干扰估计律信号、d_c13为偏航通道偏航角速率干扰估计律信号、d_c14为偏航通道倾斜角误差干扰估计律信号、d_c15为偏航通道加速度干扰估计律信号，d_c21为倾斜通道常值干扰估计律信号、d_c22为倾斜通道倾斜角误差干扰估计律信号、d_c23为倾斜通道倾斜角速率干扰估计律信号、d_c24为倾斜通道偏航角误差干扰估计律信号、d_c25为倾斜通道加速度干扰估计律信号；

为偏航通道常值干扰估计信号、

为偏航通道偏航角误差干扰估计信号、

为偏航通道偏航角速率干扰估计信号、

为偏航通道倾斜角误差干扰估计信号、

为偏航通道加速度干扰估计信号，

为倾斜通道常值干扰估计信号、

为倾斜通道倾斜角误差干扰估计信号、

为倾斜通道倾斜角速率干扰估计信号、

为倾斜通道偏航角误差干扰估计信号、

为倾斜通道加速度干扰估计信号；

为偏航通道干扰估计总信号，

为倾斜通道干扰估计总信号。

在本发明的一种示例实施例中，安装速率陀螺仪测量无人机的偏航角速率信号与倾斜角速率信号，然后叠加倾斜角误差积分信号、偏航角误差积分信号、倾斜角误差信号、偏航角误差信号、侧向加速度信号、偏航通道干扰估计总信号与倾斜通道干扰估计总信号生成最终的偏航通道控制综合信号与倾斜通道控制综合信号如下：

其中u_p为偏航通道控制综合信号、u_g为倾斜通道控制综合信号，k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₁₄、k₁₅、k₁₆、k₂₁、k₂₂、k₂₃、k₂₄、k₂₅、k₂₆为常值控制参数，分别输送给无人机偏航舵机与倾斜舵机，实现无人机侧滑与倾斜复合转弯控制。

有益效果

本发明一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术，其主要创新点有如下两点：其一通过滚转通道与偏航通道的综合控制信号来进行耦合调节偏航通道与滚转通道相应的姿态角度期望值权值，从而实现了两通道的动态耦合调节，实现了转弯能量的合理分配，也就是当滚转转弯能量较大时，相应的偏航转弯则比较平滑，而倾斜转弯能量较小时，则相应的偏航转弯则比较剧烈。其二是通过倾斜角指令信号与偏航角指令信号设计自适应干扰估计律，实现两个通道的干扰估计，这同以往基于误差进行自适应调节的效果是不一样的，并且从误差、加速度、姿态角速率的耦合等多方面进行了自适应估计，使得整个侧滑与倾斜转弯的相互匹配达到了优良的效果，具有更好的转弯快速性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术动方法流程图；

图2是本发明实施例所提供方法的无人机侧向位移信号曲线(单位：米)；

图3是本发明实施例所提供方法的无人机侧向加速度信号曲线(单位：米每秒)；

图4是本发明实施例所提供方法的无人机侧向速度信号曲线(单位：米每平方秒)；

图5是本发明实施例所提供方法的无人机侧向速度误差信号信号(单位：米每秒)；

图6是本发明实施例所提供方法的无人机偏航角信号曲线(单位：度)；

图7是本发明实施例所提供方法的无人机滚转角信号曲线(单位：度)；

图8是本发明实施例所提供方法的无人机偏航通道控制综合信号曲线(单位：度)；

图9是本发明实施例所提供方法的倾斜通道控制综合信号曲线(单位：度)。

具体实施方式

现在将参考附图基础上更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

本发明提供了一种通过侧滑与倾斜两种转弯方式进行复合实现无人机侧向质心转弯控制的方法。其通过偏航通道控制量来调节倾斜姿态期望角信号的大小，反过来通过倾斜通道控制量来调节偏航通道姿态角期望信号，从而避免了两个通道的同时剧烈转弯，也实现了转弯能量的动态合理分配。同时又通过侧向位置误差、速度误差以及加速度误差来分别对偏航与倾斜通道的不确定性进行加速度、偏航角速率、倾斜角速率之间的双通道耦合动态估计，从而实现了双通道的不确定性动态耦合补偿，使得该方法具有很好的快速性与抗干扰能力。

下面，将结合附图对本发明的一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术，进行进一步的解释以及说明。参考图1所示，该一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术，可以包括以下步骤：

步骤S10，安装加速度计测量无人机侧向加速度；通过积分得到侧向速度，再次积分得到侧向位移信号；再根据飞行任务设定侧向位移期望信号，并与侧向位移信号进行对比得到侧向位移误差信号，采用侧向速度信号与侧向位移期望信号的一阶导数进行比较得到侧向速度误差信号，采用侧向加速度信号与侧向位移期望信号的二阶导数进行对比得到侧向加速度误差信号；然后对侧向位移误差信号进行积分，得到侧向位移误差积分信号，组合生成偏航角指令信号；然后通过偏航角指令信号分别生成偏航速度误差干扰估计律、偏航加速度误差干扰估计律以及偏航位置误差干扰估计律；通过积分后分别得到偏航速度误差干扰估计参数、偏航加速度误差干扰估计参数与偏航位置误差干扰估计参数；最后对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到侧向组合误差信号。

具体的，分为如下九小步。第一步，安装加速度计，测量无人机侧向加速度，记作a_z；在进行积分得到侧向位移信号如下：

v_z＝∫a_zdt；

其中v_z为侧向速度信号，再对侧向速度信号进行积分得到侧向位移信号如下：

z＝∫v_zdt；

其中z为侧向位移信号。

第二步，根据飞行任务设定侧向位移期望信号，并与侧向位移信号进行对比得到侧向位移误差信号如下：

e₁＝z-z^d；

其中z^d为侧向位移期望信号，e₁为侧向位移误差信号。

第三步，采用侧向速度信号与侧向位移期望信号的一阶导数进行比较得到侧向速度误差信号如下：

其中

为侧向位移期望信号的一阶导数，d₁为侧向速度误差信号。

第四步，采用侧向加速度信号与侧向位移期望信号的二阶导数进行对比得到侧向加速度误差信号如下：

其中

为侧向位移期望信号的二阶导数，d₂为侧向加速度误差信号。

第五步，对侧向位移误差信号进行积分，得到侧向位移误差积分信号如下：

s₁＝∫e₁dt；

其中s₁为侧向位置误差积分信号。

第六步，采用侧向位移误差信号、侧向位移误差积分信号、侧向速度误差信号与侧向加速度误差信号组合生成偏航角指令信号如下：

φ^d＝k₁e₁+k₂s₁+k₃d₁+k₄d₂；

其中φ^d为偏航角指令信号；k₁、k₂、k₃、k₄为常值控制参数。

第七步，通过偏航角指令信号分别生成偏航速度误差干扰估计律、偏航加速度误差干扰估计律以及偏航位置误差干扰估计律如下：

d_w1＝k_w1φ^dd₁；

d_w2＝k_w2φ^dd₂；

d_w3＝k_w3φ^de₁；

其中d_w1为偏航速度误差干扰估计律、d_w2为偏航加速度误差干扰估计律、d_w3为偏航位置误差干扰估计律；k_w1、k_w2与k_w3为常值参数。

第八步，对上述偏航速度误差干扰估计律、偏航加速度误差干扰估计律以及偏航位置误差干扰估计律进行积分分别得到偏航速度误差干扰估计参数、偏航加速度误差干扰估计参数与偏航位置误差干扰估计参数如下：

w₁＝∫d_w1dt；

w₂＝∫d_w2dt；

w₃＝∫d_w3dt；

其中w₁为偏航速度误差干扰估计参数、w₂为偏航加速度误差干扰估计参数、w₃为偏航位置误差干扰估计参数；

第九步，对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到侧向组合误差信号如下：

其中

为侧向组合误差信号。

步骤S20，安装姿态陀螺仪测量得到无人机偏航角信号，根据倾斜通道控制综合信号求解倾斜控制综合积分信号，并设定偏航权值初值，生成偏航权重信号，然后乘以偏航角指令信号并叠加侧向组合误差信号得到偏航角理想信号，并与无人机偏航角信号进行对比得到偏航角误差信号，最后进行积分得到偏航角误差积分信号。

具体的，首先根据倾斜通道控制综合信号求解倾斜控制综合积分信号，倾斜通道控制综合信号的初始值选取为0，倾斜控制综合积分信号的初始值也选取为0，其积分方式如下：

s_g＝∫|u_g|dt；

其中u_g为倾斜通道控制综合信号，s_g为倾斜控制综合积分信号。

其次，并设定偏航权值初值，根据倾斜通道控制综合信号与倾斜控制综合积分信号生成偏航权重信号如下：

其中w₁₀为偏航权值初值，其为常值参数；ε₁₁、ε₁₂为常值参数；w_a1为偏航权重信号。

再次，根据偏航权重信号乘以偏航角指令信号并叠加侧向组合误差信号得到偏航角理想信号如下：

其中φ^da为偏航角理想信号。

最后，安装姿态陀螺仪，测量得到无人机偏航角信号，记作φ；并与无人机偏航角信号进行对比得到偏航角误差信号如下

e₂＝φ-φ^da；

并进行积分得到偏航角误差积分信号

s₂＝∫e₂dt；

其中e₂为偏航角误差信号；s₂为偏航角误差积分信号。

步骤S30，根据侧向位移误差信号、侧向位移误差积分信号、侧向速度误差信号、侧向加速度误差信号组合生成倾斜角指令信号；然后通过倾斜角指令信号分别生成倾斜速度误差干扰估计律、倾斜加速度误差干扰估计律以及倾斜位置误差干扰估计律；通过积分后分别得到倾斜速度误差干扰估计参数、倾斜加速度误差干扰估计参数与倾斜位置误差干扰估计参数；最后对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到倾斜组合误差信号信号。

具体的，首先根据侧向位移误差信号、侧向位移误差积分信号、侧向速度误差信号、侧向加速度误差信号组合生成倾斜角指令信号如下：

γ^d＝l₁e₁+l₂s₁+l₃d₁+l₄d₂；

其中γ^d为倾斜角指令信号；l₁、l₂、l₃、l₄为常值控制参数。

其次，通过倾斜角指令信号分别生成倾斜速度误差干扰估计律、倾斜加速度误差干扰估计律以及倾斜位置误差干扰估计律如下：

d_m1＝k_m1γ^dd₁；d_m2＝k_m2γ^dd₂；dm_w3＝k_m3γ^de₁；

其中d_m1为倾斜速度误差干扰估计律、d_m2为倾斜加速度误差干扰估计律、d_m3为倾斜位置误差干扰估计律；k_m1、k_m2与k_m3为常值参数。

然后，对上述倾斜速度误差干扰估计律、倾斜加速度误差干扰估计律进行积分后分别得到倾斜速度误差干扰估计参数、倾斜加速度误差干扰估计参数与倾斜位置误差干扰估计参数如下：

m₁＝∫d_m1dt；m₂＝∫d_m2dt；m₃＝∫d_m3dt；

其中m₁为倾斜速度误差干扰估计参数、m₂为倾斜加速度误差干扰估计参数、m₃为倾斜位置误差干扰估计参数。

最后，对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到倾斜组合误差信号信号如下：

其中

为倾斜组合误差信号。

步骤S40，安装姿态陀螺仪测量得到无人机倾斜角信号，根据偏航通道控制综合信号求解偏航控制综合积分信号，并设定倾斜权值初值，生成倾斜权重信号，然后乘以倾斜角指令信号并叠加倾斜组合误差信号得到倾斜角理想信号，并与无人机倾斜角信号进行对比得到倾斜角误差信号，最后进行积分得到倾斜角误差积分信号。

具体的，首先根据偏航通道控制综合信号求解偏航控制综合积分信号如下：

s_f＝∫|u_p|dt；

其中偏航通道控制综合信号的初始值选取为0，偏航控制综合积分信号的初始值也选取为0，u_p为偏航通道控制综合信号，s_f为偏航控制综合积分信号。

其次，并设定倾斜权值初值，根据偏航通道控制综合信号与倾斜控制综合积分信号生成偏航权重信号如下

其中w₂₀为倾斜权值初值，其为常值参数；ε₂₁、ε₂₂为常值参数；w_a2为倾斜权重信号。

再次，根据倾斜权重信号乘以倾斜角指令信号并叠加倾斜组合误差信号得到倾斜角理想信号如下：

其中γ^da为倾斜角理想信号。

最后，安装姿态陀螺仪测量得到无人机倾斜角信号，记作γ。将倾斜角理想信号与无人机倾斜角信号进行对比得到倾斜角误差信号如下：

e₃＝γ-γ^da；

其中e₃为倾斜角误差信号，再进行积分得到倾斜角误差积分信号如下：

s₃＝∫e₃dt；

其中s₃为倾斜角误差积分信号。

步骤S50，根据所述的倾斜角指令信号、偏航角指令信号分别求解偏航通道常值干扰估计律信号、偏航通道偏航角误差干扰估计律信号、偏航通道偏航角速率干扰估计律信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计律信号、偏航通道加速度干扰估计律信号，倾斜通道常值干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计律信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计律信号、倾斜通道加速度干扰估计律信号；通过积分后分别得到偏航通道常值干扰估计信号、偏航通道偏航角误差干扰估计信号、偏航通道偏航角速率干扰估计信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计信号、偏航通道加速度干扰估计信号，倾斜通道常值干扰估计信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计信号、倾斜通道加速度干扰估计信号；然后组成生成偏航通道干扰估计总信号与倾斜通道干扰估计总信号。

具体的，首先，根据所述的倾斜角指令信号、偏航角指令信号分别求解偏航通道常值干扰估计律信号、偏航通道偏航角误差干扰估计律信号、偏航通道偏航角速率干扰估计律信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计律信号、偏航通道加速度干扰估计律信号，倾斜通道常值干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计律信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计律信号、倾斜通道加速度干扰估计律信号如下：

d_c11＝k_c11φ^d；d_c21＝k_c21γ^d；

d_c11＝k_c12φ^de₂ d_c21＝k_c22γ^de₃

d_c13＝k_c13φ^dω_y d_c23＝k_c23γ^dω_x

d_c14＝k_c14φ^de₃ d_c24＝k_c24γ^de₂

d_c15＝k_c15φ^da_z d_c25＝k_c25γ^da_z

其中k_c11、k_c12、k_c13、k_c14、k_c15、k_c21、k_c22、k_c23、k_c24、k_c25为常值控制参数；d_c11为偏航通道常值干扰估计律信号、d_c12为偏航通道偏航角误差干扰估计律信号、d_c13为偏航通道偏航角速率干扰估计律信号、d_c14为偏航通道倾斜角误差干扰估计律信号、d_c15为偏航通道加速度干扰估计律信号，d_c21为倾斜通道常值干扰估计律信号、d_c22为倾斜通道倾斜角误差干扰估计律信号、d_c23为倾斜通道倾斜角速率干扰估计律信号、d_c24为倾斜通道偏航角误差干扰估计律信号、d_c25为倾斜通道加速度干扰估计律信号。

其次，对上述估计律信号进行积分，得到偏航通道常值干扰估计信号、偏航通道偏航角误差干扰估计信号、偏航通道偏航角速率干扰估计信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计信号、偏航通道加速度干扰估计信号，倾斜通道常值干扰估计信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计信号、倾斜通道加速度干扰估计信号如下：

其中

为偏航通道常值干扰估计信号、

为偏航通道偏航角误差干扰估计信号、

为偏航通道偏航角速率干扰估计信号、

为偏航通道倾斜角误差干扰估计信号、

为偏航通道加速度干扰估计信号，

为倾斜通道常值干扰估计信号、

为倾斜通道倾斜角误差干扰估计信号、

为倾斜通道倾斜角速率干扰估计信号、

为倾斜通道偏航角误差干扰估计信号、

为倾斜通道加速度干扰估计信号。

最后，根据上述估计律信号与估计信号叠加组成生成偏航通道干扰估计总信号与倾斜通道干扰估计总信号如下：

其中

为偏航通道干扰估计总信号，

为倾斜通道干扰估计总信号。

步骤S60：安装速率陀螺仪测量无人机的偏航角速率信号与倾斜角速率信号，然后叠加倾斜角误差积分信号、偏航角误差积分信号、倾斜角误差信号、偏航角误差信号、侧向加速度信号、偏航通道干扰估计总信号与倾斜通道干扰估计总信号生成最终的偏航通道控制综合信号与倾斜通道控制综合信号，分别输送给无人机偏航舵机与倾斜舵机，实现无人机侧滑与倾斜复合转弯控制如下：

其中u_p为偏航通道控制综合信号、u_g为倾斜通道控制综合信号，k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₁₄、k₁₅、k₁₆、k₂₁、k₂₂、k₂₃、k₂₄、k₂₅、k₂₆为常值控制参数。

案例实施与计算机仿真模拟结果分析

在步骤S10中，选取期望的侧向位置z^d为400米，选取参数k₁＝0.01、k₂＝0.015、k₃＝0.05、k₄＝0.1。k_w1＝0.1、k_w2＝0.1与k_w3＝0.1。

在步骤S20中，选取参数ε₁₁＝0.03、ε₁₂＝0.8。

在步骤S30中，选取参数k_m1＝0.1、k_m2＝0.03与k_m3＝0.02。

在步骤S40中，选取参数ε₂₁＝0.05、ε₂₂＝1.2。在步骤S50中，选取参数k_c11＝0.003、k_c12＝0.005、k_c13＝0.002、k_c14＝0.006、k_c15＝0.004、k_c21＝0.002、k_c22＝0.004、k_c23＝0.001、k_c24＝0.006、k_c25＝0.003。

在步骤S60中，选取参数k₁₁＝2.5、k₁₂＝0.3、k₁₃＝0.2、k₁₄＝0.02、k₁₅＝0.12、k₁₆＝0.05、k₂₁＝1.8、k₂₂＝0.5、k₂₃＝0.35、k₂₄＝0.03、k₂₅＝0.11、k₂₆＝0.06。

最终得到无人机侧向位移信号如图2所示；无人机侧向加速度信号如图3所示；无人机侧向速度信号如图4所示；无人机侧向速度误差信号如图5所示；无人机偏航角信号如图6所示、无人机滚转角信号如图7所示、无人机偏航通道控制综合信号如图8所示；倾斜通道控制综合信号如图9所示。由上述曲线可以看出，最终无人机侧向位移能够快速比较400米的期望位置，而且整个转弯过程的偏航通道控制综合信号与倾斜通道控制综合信号都不超过10度，而偏航角与滚转角则最大值达到了15度左右。主要原因是侧滑与倾斜转弯的复合技术，使得每一个通道的控制量得到了减少，而叠加产生的转弯能量使得转弯更为迅速。因此，从实验的结果可以看出，本发明具有很好的理论价值与工程应用价值。

Claims (1)

1.一种无人机的侧滑与倾斜复合转弯控制技术，其特征在于以下步骤：

步骤S10：安装加速度计测量无人机侧向加速度；通过积分得到侧向速度，再次积分得到侧向位移信号；再根据飞行任务设定侧向位移期望信号，并与侧向位移信号进行对比得到侧向位移误差信号，采用侧向速度信号与侧向位移期望信号的一阶导数进行比较得到侧向速度误差信号，采用侧向加速度信号与侧向位移期望信号的二阶导数进行对比得到侧向加速度误差信号；然后对侧向位移误差信号进行积分，得到侧向位移误差积分信号，组合生成偏航角指令信号；然后通过偏航角指令信号分别生成偏航速度误差干扰估计律、偏航加速度误差干扰估计律以及偏航位置误差干扰估计律；通过积分后分别得到偏航速度误差干扰估计参数、偏航加速度误差干扰估计参数与偏航位置误差干扰估计参数；最后对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到侧向组合误差信号包括：

v_z＝∫a_zdt；

z＝∫v_zdt；

e₁＝z-z^d；

s₁＝∫e₁dt；

φ^d＝k₁e₁+k₂s₁+k₃d₁+k₄d₂；

d_w1＝k_w1φ^dd₁；d_w2＝k_w2φ^dd₂；d_w3＝k_w3φ^de₁；

w₁＝∫d_w1dt；w₂＝∫d_w2dt；w₃＝∫d_w3dt；

其中a_z为安装加速度计测量得到的无人机的侧向加速度；v_z为侧向速度信号，z为侧向位移信号；z^d为侧向位移期望信号，e₁为侧向位移误差信号，

为侧向位移期望信号的一阶导数，

为侧向位移期望信号的二阶导数，d₁为侧向速度误差信号，d₂为侧向加速度误差信号，s₁为侧向位置误差积分信号；φ^d为偏航角指令信号；k₁、k₂、k₃、k₄为常值控制参数；d_w1为偏航速度误差干扰估计律、d_w2为偏航加速度误差干扰估计律、d_w3为偏航位置误差干扰估计律；k_w1、k_w2与k_w3为常值参数；w₁为偏航速度误差干扰估计参数、w₂为偏航加速度误差干扰估计参数、w₃为偏航位置误差干扰估计参数；

为侧向组合误差信号；

步骤S20：安装姿态陀螺仪测量得到无人机偏航角信号，根据倾斜通道控制综合信号求解倾斜控制综合积分信号，并设定偏航权值初值，生成偏航权重信号，然后乘以偏航角指令信号并叠加侧向组合误差信号得到偏航角理想信号，并与无人机偏航角信号进行对比得到偏航角误差信号，最后进行积分得到偏航角误差积分信号包括：

s_g＝∫|u_g|dt；

e₂＝φ-φ^da；

s₂＝∫e₂dt；

其中φ为安装姿态陀螺仪测量得到的无人机偏航角信号，u_g为倾斜通道控制综合信号，其初始值选取为0；s_g为倾斜控制综合积分信号；w₁₀为偏航权值初值，其为常值参数；ε₁₁、ε₁₂为常值参数；w_a1为偏航权重信号；φ^da为偏航角理想信号，e₂为偏航角误差信号；s₂为偏航角误差积分信号；

步骤S30：根据侧向位移误差信号、侧向位移误差积分信号、侧向速度误差信号、侧向加速度误差信号组合生成倾斜角指令信号；然后通过倾斜角指令信号分别生成倾斜速度误差干扰估计律、倾斜加速度误差干扰估计律以及倾斜位置误差干扰估计律；通过积分后分别得到倾斜速度误差干扰估计参数、倾斜加速度误差干扰估计参数与倾斜位置误差干扰估计参数；最后对侧向位移误差信号、侧向速度误差信号以及侧向加速度误差信号进行组合得到倾斜组合误差信号如下：

γ^d＝l₁e₁+l₂s₁+l₃d₁+l₄d₂；

d_m1＝k_m1γ^dd₁；d_m2＝k_m2γ^dd₂；dm_w3＝k_m3γ^de₁

m₁＝∫d_m1dt；m₂＝∫d_m2dt；m₃＝∫d_m3dt；

其中γ^d为倾斜角指令信号；l₁、l₂、l₃、l₄为常值控制参数；d_m1为倾斜速度误差干扰估计律、d_m2为倾斜加速度误差干扰估计律、d_m3为倾斜位置误差干扰估计律；k_m1、k_m2与k_m3为常值参数；m₁为倾斜速度误差干扰估计参数、m₂为倾斜加速度误差干扰估计参数、m₃为倾斜位置误差干扰估计参数；

为倾斜组合误差信号；

步骤S40：安装姿态陀螺仪测量得到无人机倾斜角信号，根据偏航通道控制综合信号求解偏航控制综合积分信号，并设定倾斜权值初值，生成倾斜权重信号，然后乘以倾斜角指令信号并叠加倾斜组合误差信号得到倾斜角理想信号，并与无人机倾斜角信号进行对比得到倾斜角误差信号，最后进行积分得到倾斜角误差积分信号包含；

s_f＝∫|u_p|dt；

e₃＝γ-γ^da；

s₃＝∫e₃dt；

其中γ为安装姿态陀螺仪测量得到的无人机倾斜角信号，u_p为偏航通道控制综合信号，其初始值选取为0；s_f为偏航控制综合积分信号；w₂₀为倾斜权值初值，其为常值参数；ε₂₁、ε₂₂为常值参数；w_a2为倾斜权重信号；γ^da为倾斜角理想信号，e₃为倾斜角误差信号；s₃为倾斜角误差积分信号；

步骤S50：根据所述的倾斜角指令信号、偏航角指令信号分别求解偏航通道常值干扰估计律信号、偏航通道偏航角误差干扰估计律信号、偏航通道偏航角速率干扰估计律信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计律信号、偏航通道加速度干扰估计律信号，倾斜通道常值干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计律信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计律信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计律信号、倾斜通道加速度干扰估计律信号；通过积分后分别得到偏航通道常值干扰估计信号、偏航通道偏航角误差干扰估计信号、偏航通道偏航角速率干扰估计信号、偏航通道倾斜角误差干扰估计信号、偏航通道加速度干扰估计信号，倾斜通道常值干扰估计信号、倾斜通道倾斜角误差干扰估计信号、倾斜通道倾斜角速率干扰估计信号、倾斜通道偏航角误差干扰估计信号、倾斜通道加速度干扰估计信号；然后组成生成偏航通道干扰估计总信号与倾斜通道干扰估计总信号；

d_c11＝k_c11φ^d；d_c21＝k_c21γ^d；

d_c11＝k_c12φ^de₂ d_c21＝k_c22γ^de₃

d_c13＝k_c13φ^dω_y d_c23＝k_c23γ^dω_x

d_c14＝k_c14φ^de₃ d_c24＝k_c24γ^de₂

d_c15＝k_c15φ^da_z d_c25＝k_c25γ^da_z

其中k_c11、k_c12、k_c13、k_c14、k_c15、k_c21、k_c22、k_c23、k_c24、k_c25为常值控制参数；d_c11为偏航通道常值干扰估计律信号、d_c12为偏航通道偏航角误差干扰估计律信号、d_c13为偏航通道偏航角速率干扰估计律信号、d_c14为偏航通道倾斜角误差干扰估计律信号、d_c15为偏航通道加速度干扰估计律信号，d_c21为倾斜通道常值干扰估计律信号、d_c22为倾斜通道倾斜角误差干扰估计律信号、d_c23为倾斜通道倾斜角速率干扰估计律信号、d_c24为倾斜通道偏航角误差干扰估计律信号、d_c25为倾斜通道加速度干扰估计律信号；

为偏航通道常值干扰估计信号、

为偏航通道偏航角误差干扰估计信号、

为偏航通道偏航角速率干扰估计信号、

为偏航通道倾斜角误差干扰估计信号、

为偏航通道加速度干扰估计信号，

为倾斜通道常值干扰估计信号、

为倾斜通道倾斜角误差干扰估计信号、

为倾斜通道倾斜角速率干扰估计信号、

为倾斜通道偏航角误差干扰估计信号、

为倾斜通道加速度干扰估计信号；

为偏航通道干扰估计总信号，

为倾斜通道干扰估计总信号；

步骤S60：安装速率陀螺仪测量无人机的偏航角速率信号与倾斜角速率信号，然后叠加倾斜角误差积分信号、偏航角误差积分信号、倾斜角误差信号、偏航角误差信号、侧向加速度信号、偏航通道干扰估计总信号与倾斜通道干扰估计总信号生成最终的偏航通道控制综合信号与倾斜通道控制综合信号，分别输送给无人机偏航舵机与倾斜舵机，实现无人机侧滑与倾斜复合转弯控制如下：

其中u_p为偏航通道控制综合信号、u_g为倾斜通道控制综合信号，k₁₁、k₁₂、k₁₃、k₁₄、k₁₅、k₁₆、k₂₁、k₂₂、k₂₃、k₂₄、k₂₅、k₂₆为常值控制参数。

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