一种无人飞行器的过载姿态切换控制方法

本发明涉及无人飞行器稳定与控制领域，具体而言，涉及一种无人飞行器的过载与姿态的混合切换与控制的方法。

背景技术：

1、无人飞行器的控制不仅在民用无人机中有着广泛的应用，而且在军用飞行器的飞行制导中有着重要的地位。目前主流的民用飞行器都是采用的姿态控制，因为其有着强稳定性与可靠性；但在某些军用场合，如制导导引等，需要无人飞行器有着强大的机动能力，此时采用过载控制实现拦截是首选方法。而即使是该类飞行器，在其到达目标之前的平飞飞行过程，仍然是以姿态控制为优。因此采用单一的姿态控制或者过载控制都无法满足上述要求，基于上述背景原因，本发明提出了一种能够自由切换与姿态与过载控制的混合控制方法，具有很高的工程应用价值。

2、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。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无人飞行器的过载姿态切换控制方法，进而克服了由于相关技术的限制和缺陷而导致的姿态控制与过载控制两种不兼容与转换困难的问题。

2、根据本发明的一个方面，提供一种无人飞行器的过载姿态切换控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s10，在无人飞行器上安装测角陀螺仪，测量无人飞行器的俯仰角信号，然后根据飞行任务设定俯仰角期望信号，并进行比较得到俯仰角误差信号，然后进行奇次变换，得到俯仰角误差奇次信号；再对俯仰角误差信号进行指数开方混合变换，得到俯仰角误差指数开方信号；最后采用俯仰角误差信号、俯仰角误差奇次信号与俯仰角误差指数开方信号进行叠加得到俯仰角误差综合信号。

4、步骤s20，根据所述的俯仰角误差综合信号与俯仰角误差的非线性平移信号进行比较得到俯仰角平移误差信号；然后分别进行奇次变换、奇次柔化变换后得到俯仰角平移误差奇次变换信号与俯仰角平移误差奇次柔化变换信号，再进行叠加后得到俯仰角误差的非线性平移速率信号；然后进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到俯仰角误差的非线性平移信号。

5、步骤s30，根据所述的俯仰角误差信号求解俯仰角差分系数信号，然后根据所述的俯仰角误差的非线性平移信号以及俯仰角误差综合信号、俯仰角差分系数信号求解俯仰角误差混合差分信号；再根据俯仰角误差综合信号进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到俯仰角误差综合积分信号；最后叠加俯仰角误差信号、俯仰角误差混合差分信号、俯仰角误差的非线性平移速率信号、俯仰角误差综合信号以及俯仰角误差的非线性平移信号形成俯仰姿态综合控制信号。

6、步骤s40，根据飞行任务需要，设定过载期望信号；然后在无人飞行器上安装加速度计，测量飞行器的垂向加速度，然后再计算飞行器的垂向过载信号，再与过载期望信号进行比较得到过载误差信号；然后进行奇次变换，得到过载误差奇次信号；再对过载误差信号进行指数开方混合变换，得到过载误差指数开方信号；最后采用过载误差信号、过载误差奇次信号与过载误差指数开方信号进行叠加得到过载误差综合信号。

7、步骤s50，根据所述的过载误差综合信号与过载误差的非线性平移信号进行比较得到过载平移误差信号；然后分别进行奇次变换、奇次柔化变换后得到过载平移误差奇次变换信号与过载平移误差奇次柔化变换信号，再进行叠加后得到过载误差的非线性平移速率信号；然后进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到过载误差的非线性平移信号。

8、步骤s60，根据所述的过载误差信号求解过载差分系数信号，然后根据所述的过载误差的非线性平移信号以及过载误差综合信号、过载差分系数信号求解过载误差混合差分信号；再根据过载误差综合信号进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到过载误差综合积分信号；最后叠加过载误差信号、过载误差混合差分信号、过载误差的非线性平移速率信号、过载误差综合信号以及过载误差的非线性平移信号形成俯仰过载综合控制信号。

9、步骤s70，根据所述的俯仰角误差信号设置切换阈值，当俯仰角误差小于阈值时，无人飞行器俯仰控制量选取为俯仰姿态综合控制信号；当俯仰角误差大于阈值时，将俯仰角误差转换为过载期望信号，选取无人机俯仰控制量为俯仰过载综合控制信号，实现控制律由姿态控制到快速过载控制的切换，实现飞行器俯仰通道的姿态稳定跟踪。

10、在本发明的一种示例实施例中，在无人飞行器上安装测角陀螺仪，测量无人飞行器的俯仰角信号，然后根据飞行任务设定俯仰角期望信号，并进行比较得到俯仰角误差信号，然后进行奇次变换，得到俯仰角误差奇次信号；再对俯仰角误差信号进行指数开方混合变换，得到俯仰角误差指数开方信号；最后采用俯仰角误差信号、俯仰角误差奇次信号与俯仰角误差指数开方信号进行叠加得到俯仰角误差综合信号包括：

11、e1＝θ-θd；

12、

13、

14、ef＝c1e1+c2f1+c3f2；

15、其中θ为采用陀螺仪测量得到的无人飞行器的俯仰角信号，θd为根据飞行任务设定的俯仰角期望信号，e1为俯仰角误差信号；f1为俯仰角误差奇次信号；w为指数常值参数，ε0为开方变换常值参数，f2为俯仰角误差指数开方信号；c1、c2、c3为常值叠加系数，ef为俯仰角误差综合信号。

16、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的俯仰角误差综合信号与俯仰角误差的非线性平移信号进行比较得到俯仰角平移误差信号；然后分别进行奇次变换、奇次柔化变换后得到俯仰角平移误差奇次变换信号与俯仰角平移误差奇次柔化变换信号，再进行叠加后得到俯仰角误差的非线性平移速率信号；然后进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到俯仰角误差的非线性平移信号包括：

17、ef1(n)＝ef(n)-ef0(n)；

18、ef2(n)＝(ef(n)-ef0(n))7/13；

19、

20、

21、

22、其中ef1为俯仰角平移误差信号；ef2为俯仰角平移误差奇次变换信号；ε1为奇次柔化变换常值参数，ef3为俯仰角平移误差奇次柔化变换信号，t1、t2、t3为非线性平移的常值参数，efd为俯仰角误差的非线性平移速率信号；ef0为俯仰角误差的非线性平移信号，a1为分段积分的常值分段参数，t为积分的时间常数。

23、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的俯仰角误差信号求解俯仰角差分系数信号，然后根据所述的俯仰角误差的非线性平移信号以及俯仰角误差综合信号、俯仰角差分系数信号求解俯仰角误差混合差分信号；再根据俯仰角误差综合信号进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到俯仰角误差综合积分信号；最后叠加俯仰角误差信号、俯仰角误差混合差分信号、俯仰角误差的非线性平移速率信号、俯仰角误差综合信号以及俯仰角误差的非线性平移信号形成俯仰姿态综合控制信号包括：

24、

25、

26、

27、u1＝k1e1+k2e1d+k3s1+k4efd+k5ef+k6ef0；

28、其中sign()为符号函数，ez为俯仰角差分系数信号，e1d为俯仰角误差混合差分信号；a0为分段积分的常值参数，s1为俯仰角误差综合积分信号；k1、k2、k3、k4、k5、k6为常值控制参数，u1为俯仰姿态综合控制信号。

29、在本发明的一种示例实施例中，根据飞行任务需要，设定过载期望信号；然后在无人飞行器上安装加速度计，测量飞行器的垂向加速度，然后再计算飞行器的垂向过载信号，再与过载期望信号进行比较得到过载误差信号；然后进行奇次变换，得到过载误差奇次信号；再对过载误差信号进行指数开方混合变换，得到过载误差指数开方信号；最后采用过载误差信号、过载误差奇次信号与过载误差指数开方信号进行叠加得到过载误差综合信号包括：

30、

31、

32、

33、

34、eg＝ca1e2+ca2g2+ca3g2；

35、其中a为采用加速度计测量得到的无人飞行器的垂向加速度信号，g为重力加速度，nyd为根据飞行任务设定的过载期望信号，ny为飞行器的垂向过载信号；e2为过载误差信号；g1为过载误差奇次信号；εa0为开方变换常值参数，g2为过载误差指数开方信号；ca1、ca2、ca3为常值叠加系数，eg为过载误差综合信号；

36、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的过载误差综合信号与过载误差的非线性平移信号进行比较得到过载平移误差信号；然后分别进行奇次变换、奇次柔化变换后得到过载平移误差奇次变换信号与过载平移误差奇次柔化变换信号，再进行叠加后得到过载误差的非线性平移速率信号；然后进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到过载误差的非线性平移信号包括：

37、

38、

39、

40、

41、

42、其中eg1为过载平移误差信号；eg2为过载平移误差奇次变换信号；eg3为过载平移误差奇次柔化变换信号，egd为过载误差的非线性平移速率信号；eg0为过载误差的非线性平移信号，b1为分段积分的常值分段参数。

43、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的过载误差信号求解过载差分系数信号，然后根据所述的过载误差的非线性平移信号以及过载误差综合信号、过载差分系数信号求解过载误差混合差分信号；再根据过载误差综合信号进行立方与线性混合抗饱和分段积分，得到过载误差综合积分信号；最后叠加过载误差信号、过载误差混合差分信号、过载误差的非线性平移速率信号、过载误差综合信号以及过载误差的非线性平移信号形成俯仰过载综合控制信号包括：

44、

45、

46、

47、u2＝ka1e2+ka2e2d+ka3s2+ka4egd+ka5eg；

48、其中e2z为过载差分系数信号，e2d为过载误差混合差分信号；b0为分段积分的常值参数，s2为过载误差综合积分信号；ka1、ka2、ka3、ka4、ka5、ka6为常值控制参数，u2为俯仰过载综合控制信号。

49、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的俯仰角误差信号设置切换阈值，当俯仰角误差小于阈值时，无人飞行器俯仰控制量选取为俯仰姿态综合控制信号；当俯仰角误差大于阈值时，将俯仰角误差转换为过载期望信号，选取无人机俯仰控制量为俯仰过载综合控制信号，实现控制律由姿态控制到快速过载控制的切换包括：

50、

51、

52、其中aw为切换阈值，其为常值参数，kw2、εw1、kw1为常值转换参数，u为无人飞行器俯仰控制量。

53、有益效果

54、本发明一种无人飞行器的过载姿态切换控制方法，其主要创新点有如下两点：其一是在大俯仰角误差时，采用过载控制，实现飞行器的最大加速度机动；而在小俯仰角误差时，切换至姿态控制，从而使得飞行器在平飞段具有姿态控制的强稳定性与可靠性；而在末端进行导引时，又能够利用过载控制快速机动的优点。其二是单独的姿态控制与过载控制都仅需要测量姿态或者过载一个信号即可，同时通过误差信号的变换，得到了姿态控制与过载控制的统一控制方式，从而使得控制结构比较统一，参数调试方便。

55、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。