一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法，它為無人飛艇在未知風(fēng) 場中飛行時提供一種跟蹤參數(shù)化平面路徑的新控制方法，屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人飛艇是一種輕于空氣的航空器，它與氣球最大的區(qū)別在于具有推進(jìn)和控制飛 行的裝置。飛艇典型的飛行狀態(tài)包括起飛、巡航飛行、降落等。對于無人飛艇的巡航飛行， 主要的控制策略有軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制。目前的路徑跟蹤控制方法均基于確定的 飛艇模型進(jìn)行設(shè)計，未考慮外界風(fēng)場等干擾因素。
[0003] 本發(fā)明"一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法"，針對在未知風(fēng)場中巡航飛 行的欠驅(qū)動無人飛艇，提出了基于其非線性模型的一種自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法。該 方法結(jié)合了自適應(yīng)積分視線制導(dǎo)算法和反步控制理論。由該方法控制的閉環(huán)系統(tǒng)是漸近穩(wěn) 定的，且具有良好的收斂效果，這就為無人飛艇的巡航飛行工程實現(xiàn)提供了有效的設(shè)計手 段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (1)目的：本發(fā)明的目的在于提供一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法， 控制工程師可以按照該方法并結(jié)合實際參數(shù)實現(xiàn)無人飛艇在未知風(fēng)場環(huán)境中的精確自主 巡航飛行。
[0005] (2)技術(shù)方案：本發(fā)明"一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法"，其主要內(nèi) 容及程序是：先由給定期望跟蹤位置和相對速度進(jìn)行自適應(yīng)積分視線制導(dǎo)計算，生成期望 偏航角和估計風(fēng)場值；然后進(jìn)行偏航角跟蹤控制計算得到方向舵控制量；由相對速度運(yùn)動 模型計算得到期望螺旋槳推力控制量。實際應(yīng)用中，飛艇的位置、姿態(tài)、速度等狀態(tài)量由組 合慣導(dǎo)等傳感器測量得到，將由該方法計算得到的控制量傳輸至舵機(jī)和推進(jìn)螺旋槳等執(zhí)行 裝置即可實現(xiàn)無人飛艇在未知風(fēng)場中的自適應(yīng)巡航飛行功能。
[0006] 本發(fā)明"一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法"，其具體步驟如下： 步驟一給定期望跟蹤值：給定期望平面路徑；給定期望速度； 步驟二自適應(yīng)積分制導(dǎo)計算：計算消除期望位置與實際位置之間的誤差所需的期望 偏航角1?和風(fēng)場估計值ii心 步驟三偏航角跟蹤控制計算：計算消除期望偏航角與實際偏航角之間的誤差所需方 向舵控制量通:； 步驟四相對速度跟蹤控制計算：計算消除期望速度與實際速度之間的誤差所需螺旋 槳控制量輸。
[0007] 其中，在步驟一中所述的給定期望路徑為卜「1J￡7， 為路徑參數(shù)，為飛艇期望位置；所述的給定期望速度為丨:為常 數(shù)。
[0008] 其中，在步驟二中所述的計算消除期望位置與實際位置之間的誤差所需的期望偏 航角A?和風(fēng)場估計值4：:^，其計算方法如下： 1)計算期望路徑參考點的方向角％ w卜氣ψ:m（氣iI 士
得到，:??輪溈濾波器阻尼和頻率，___為控制參為飛艇模型參數(shù)。
[0010] 其中，在步驟四中所述的計算消除期望速度與實際速度之間的誤差所需螺旋槳控 制量·，其計算方法如下 計算速度跟蹤誤差，計算螺旋槳控制量％= ，％__為控制參數(shù)，為飛艇模型參數(shù)。
[0011] ⑶優(yōu)點及效果： 本發(fā)明"一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法"，與現(xiàn)有技術(shù)比，其優(yōu)點是： 1) 該方法能夠自適應(yīng)估計未知風(fēng)場環(huán)境，對干擾有足夠的魯棒性； 2) 該方法能夠利用積分環(huán)節(jié)消除路徑跟蹤誤差，改進(jìn)跟蹤性能； 3) 該方法針對非線性模型反步設(shè)計，能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性能。
[0012] 控制工程師在應(yīng)用過程中可不考慮環(huán)境風(fēng)場因素，根據(jù)實際飛艇給定任意期望巡 航路徑，并將由該方法計算得到的控制量直接傳輸至執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)路徑跟蹤功能。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明所述控制方法流程框圖； 圖2為本發(fā)明無人飛艇示意圖； 符號說明如下： $丨:為期望飛艇飛行路徑，其中:變?yōu)槁窂絽?shù)，1?=.?為期望 慣性系位置； 每為飛艇的當(dāng)前位置，_#為當(dāng)前慣性系位置； ^飛艇期望相對速度為常數(shù)； :纖飛艇期望偏航角； #飛艇偏航角； 方向舵控制量； 螺旋槳控制量 禹備慣性坐標(biāo)系； 艇體坐標(biāo)系； :_s_|相對速度沿艇體坐標(biāo)系的分解量； ^偏航角速度。
【具體實施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明中的各部分設(shè)計方法作進(jìn)一步的說明：
[0017] 步驟四：相對速度跟蹤控制計算 計算速度跟蹤誤差劣=^ ?，計算螺旋槳控制量h = -??? - ，:％:??為控制參數(shù)，:―!為飛艇模型參數(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法，其特征在于：具體步驟如下： 步驟一給定期望跟蹤值：給定期望平面路徑；給定期望速度； 步驟二自適應(yīng)積分制導(dǎo)計算：計算消除期望位置與實際位置之間的誤差所需的期望 偏航角和風(fēng)場估計值A(chǔ)成； 步驟三偏航角跟蹤控制計算：計算消除期望偏航角與實際偏航角之間的誤差所需方 向舵控制量遍； 步驟四相對速度跟蹤控制計算：計算消除期望速度與實際速度之間的誤差所需螺旋 槳控制量：：態(tài)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法，其特征在于： 在步驟一中所述的給定期望路徑為及為路徑參 數(shù)，為飛艇期望位置；所述的給定期望速度為％為，:樣:為常數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法，其特征在于： 在步驟二中所述的計算消除期望位置與實際位置之間的誤差所需的期望偏航角 風(fēng)場估計值H，其計算方法如下： 1) 計算期望路徑參考點的方向角i^c丨、,、、、 〇 ， 2) 計算飛艇當(dāng)前位置與期望路徑參考點的誤差;f_|f為無人飛艇的當(dāng)前位置； 3) 計算風(fēng)場估計自適應(yīng)，_=::_f，為自適應(yīng)參數(shù)，得到 風(fēng)場估計值計算位置誤差積分值H胃:為相對速度，_||:為相對速度沿艇體坐標(biāo)系的分解量； 4) 計算期望偏航角％ 丨，t、0為控制 參數(shù)；按照更新路徑參數(shù)歷，4 > 〇為控制 參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法，其特征在于： 在步驟三中所述的計算消除期望偏航角與實際偏航角之間的誤差所需方向舵控制量， 其計算方法如下 1) 計算偏航角跟蹤誤差#. 辦一 ，計算虛擬控制量，，由指令濾波器計算得到，緣為濾波器阻尼和頻率，二_為控制參數(shù)； 2) 計算偏航角速度跟蹤誤差嘴，計算方向航控制量計算 得到，愁，知為濾波器阻尼和頻率，為控制參數(shù)，為飛艇模型參數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法，其特征在于： 在步驟四中所述的計算消除期望速度與實際速度之間的誤差所需螺旋槳控制量;_， 其計算方法如下 計算速度跟蹤誤差_s轉(zhuǎn)，計算螺旋槳控制量％ 筆，: ，為控制參數(shù)，％為飛艇模型參數(shù)。
【專利摘要】一種無人飛艇自適應(yīng)抗風(fēng)路徑跟蹤控制方法，步驟如下：1.給定期望跟蹤值：給定期望平面路徑；給定期望速度；2.自適應(yīng)積分制導(dǎo)計算：計算消除期望位置與實際位置之間的誤差所需的期望偏航角？<b></b>和風(fēng)場估計值<b></b>；3.偏航角跟蹤控制計算：計算消除期望偏航角與實際偏航角之間的誤差所需方向舵控制量<b></b>；4.相對速度跟蹤控制計算：計算消除期望速度與實際速度之間的誤差所需螺旋槳控制量<b></b>?？刂屏鞒桃姼綀D。
【IPC分類】G05D1/10
【公開號】CN105094144
【申請?zhí)枴緾N201510552263
【發(fā)明人】鄭澤偉, 祝明
【申請人】北京天航華創(chuàng)科技股份有限公司
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年9月2日