专利名称：一种基于l1自适应控制的飞行器姿态控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于LI自适应控制技术的飞行器姿态控制方法，属于无人飞行器姿态自动控制技术领域。
背景技术：
无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV),简称无人机,是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。鉴于其独有的低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动等诸多优势，使用范围已拓宽到军事、民用以及科学研究三大领域。在军事上可用于侦察、监视、通信中继、电子对抗、火力制导、战果评估、骚扰、诱惑、对地(海)攻击、目标模拟和早期预警等；在民用上，可用于大地测量、气象观测、城市环境检测、地球资源勘探和森林防火等；在科学研究上，可用于大气研究、对核生化污染区的取样与监控以及新技术新设备与新飞行器的试验验证等。无人飞行器的姿态控制因其广泛的应用背景成为一个备受关注的控制问题，例如固定翼、旋翼无人机的姿态增稳/姿态调节等，是飞行控制中一个最核心的任务。而姿态调节问题中的强非线性和耦合特性使其至今仍为科研院所以及高校研究的热点。基于模型的非线性控制算法，例如滑模控制器以及反步法，在存在模型的不确定性以及外部干扰的情况下，控制效果会受到很大影响。LI自适应控制有较强的鲁棒性，对存在非线性和耦合、环境干扰(尤其是飞行控制中的环境变化)的三自由度姿态系统，具有良好的镇定和调节效果。
发明内容
本发明的目的是为解决姿态控制问题中存在的非线性和耦合特性以及姿态调节过程中可能受到的外部干扰，提供一种基于LI自适应控制的三自由度飞行器姿态控制方法，从而实现姿态鲁棒的控制和调节。飞行器姿态系统的控制，包括滚转角、俯仰角、偏航角的调节，为了简化控制律的设计，将姿态控制器的设计分滚转、偏航、俯仰三个通道分别用LI自适应控制算法进行设计。本发明的技术方案具体包括如下步骤步骤I :建立飞行器姿态系统的数学模型，包括三个如下形式的二阶状态方程组成
f .(-(/)=//. -(/)+/ ("(/)+ 沒；(/K/)+ (Ti /))<τ
[y(t)=c x{t) χ(0)=χο其中，X(t)为可观测的系统状态向量，在滚转、俯仰、偏航姿态控制通道中分别为(色好和(武句τ以及O才)T,u(t)为各通道的控制信号，A为2阶系统矩阵，各通道中分别通过机理分析，根据力学定理定律确定，b是通过参数辨识所得到的常数向量，Θ (t)是未知参数，由状态观测器估计而得，σ (t)是时变干扰。y(t)是系统输出。c为输出矩阵，其值为2阶单位阵中的第一列。所设计的每个控制器的控制律u(t)分为线性状态反馈控制律U1 (t)和自适应控制律U2 (t)两部分u (t) = U1 (t) +U2 (t)U1 (t) = -Kx (t)令Am = A-bK, K的选取使得Am满足Hurwitz条件，从而飞行器姿态系统的数学模型转换为
权利要求
1.一种基于LI自适应控制的飞行器姿态控制方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I:建立飞行器姿态系统的数学模型，包括三个如下形式的二阶状态方程组成 (x(/)=Ax(/)+b(u(/)+e1 ( )χ(/)+σ(ι))I v(0=cT-^(/) X(O)=Xo 其中，x(t)为可观测的系统状态向量，在滚转、俯仰、偏航姿态控制通道中分别为(#，#)τ和(武句τ以及(FDt，u⑴为各通道的控制信号汸为2阶系统矩阵，通过机理分析，根据力学定理定律确定；b是通过参数辨识所得到的常数向量，Θ (t)是未知参数，由状态观测器估计而得；σ (t)是时变干扰；y(t)是系统输出；c为输出矩阵，其值为2阶单位阵中的第一列；u(t)为控制器的控制律，分为线性状态反馈控制律U1 (t)和自适应控制律U2 (t)两部分 u (t) = U1 (t) +U2 (t) U1 (t) = -Kx (t) 令Am = A-bK，K的选取使得Am满足Hurwitz条件，从而飞行器姿态系统的数学模型转换为 χ(Ι)=Α, χ(Ι)+h(uι( )+ θι ( )χ{/)+σ(!)) y(t)=cTx(t) χ(0)=χο 步骤2 :根据步骤I的数学模型，分别设计滚转、俯仰、偏航三个通道的LI自适应控制器；所述LI自适应控制器的设计方法为 步骤2.1，设计状态观测器； 在每个控制器设计中的状态观测器为 < χ (t)=Amx(t)+h(u2(i)+e χ( )+σ( )) v({)=cT x(t) X(O)=Xo 其中x(0、备(0和<T(0分别是χ⑴、θ (t)和σ⑴的估计值，χ。为初始状态； 步骤2. 2，设计自适应律* j 6>(7)=rrtProj(^(/);-x(/).i' (J)Pb){θ(0)=θο x(t)=x(t)-x(l) .5(/)=Γσ Proj(iJ(/),-.vT(/)P6)八σ(0)=σο 备。和士)分别为θ (t)和σ⑴的估计初值，P为李雅普诺夫方程的解，I为2阶单位矩阵；Γ 0，Γ。是自适应增益矩阵，随着其增大，系统的响应速度以及跟踪精度相应的提高；其中Pr oj( ·，·)为投影算子，其表达式为 δ V- ,.^ll /1, ,y\f {0) f(ff)>0 and V/rv>0 Proj(^v) = ^ WlWlf IJ其他 步骤2. 3，设计自适应控制律
2.根据权利要求I所述的一种基于LI自适应控制的飞行器姿态控制方法，其特征在于所述的参考信号在控制工程中通常为脉冲信号、阶跃信号、斜坡信号、加速度信号、正弦信号、方波信号，以检验闭环系统的跟踪效果。
3.根据权利要求I所述的一种基于LI自适应控制的飞行器姿态控制方法，其特征在 "O "于对于滚转角通道的LI自适应控制器
4.根据权利要求I所述的一种基于LI自适应控制的飞行器姿态控制方法，其特征在于四个螺旋桨的驱动电压的约束条件为Ui+UfUfU^^VJiias，其中V_bias为偏置电压，其取值越大，四个螺旋桨旋转的平均转度越快。
全文摘要
本发明涉及一种基于L1自适应控制技术的飞行器姿态控制方法，属于无人飞行器姿态自动控制技术领域。将系统的控制信号u(t)输入状态观测器，得到飞行器状态估计值作为自适应律的输入，得到系统的不确定性、外部干扰的估计值和将设定的参考信号r(t)和输入自适应控制律，得到系统自适应控制律然后输入低通滤波器，得到控制信号u2(t)，叠加上线性状态反馈控制律u1(t)，将其输入状态观测器，并作用于被控对象，被控对象反馈实际的姿态值x(t)至自适应律、自适应控制律、状态观测器，从而构成L1自适应闭环控制系统。本发明建立的飞行器姿态L1自适应控制有较强的鲁棒性，对存在非线性和耦合、环境干扰的飞行器姿态系统，具有良好的镇定和调节效果。
文档编号G05D1/08GK102809970SQ20121023767
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者耿庆波, 胡琼, 费庆, 兰天, 伍清河 申请人:北京理工大学